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811量產(chǎn)的奧秘是什么

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1042次  |  2018年08月29日  

前段時(shí)間國(guó)外網(wǎng)站攥寫的一篇寧德時(shí)代電芯產(chǎn)品布局的文章傳遍各大公眾平臺(tái),在去年的時(shí)候韓國(guó)電池制造商LG化學(xué)和SK創(chuàng)新宣布有希望在今年推出高能量密度的NCM811電芯,不過(guò)遺憾的是近日兩家公司不約而同的宣布推遲811的進(jìn)程,到底什么原因?我們知道811要搭配硅碳和硅氧使用,但是SiOx會(huì)存在首次效率低的原因,需要補(bǔ)鋰工藝才能實(shí)現(xiàn)。


隨著新能源汽車在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)續(xù)航里程要求的不斷提高,動(dòng)力電池相關(guān)材料也向著提供更高能量密度的方向發(fā)展。傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)有需求,高能量密度負(fù)極材料(硅碳,硅氧)成為企業(yè)追逐的新熱點(diǎn)。


在理想狀態(tài)下若純Si在完全嵌鋰下,比容量可以達(dá)到4200mAh/g,但是也伴隨著高達(dá)300%的體積膨脹,另外一種硅的氧化物—SiOX作為負(fù)極材料,Si-O鍵的鍵能是Si-Si鍵能的兩倍,由于SiOx首次嵌鋰的過(guò)程中會(huì)生成金屬鋰氧化物L(fēng)iXO,這導(dǎo)致氧化亞硅材料的首次庫(kù)倫效率僅為70%左右,近年來(lái)經(jīng)過(guò)諸多的技術(shù)改進(jìn),首次效率也僅僅提高到80%左右,這與石墨材料的94%還有很大的差距,為了縮短差距各研究所、高校、公司等都提出自己的材料改性辦法得以讓SiOX材料發(fā)揮出高比容量的優(yōu)勢(shì)。硅碳負(fù)極補(bǔ)鋰工藝是在硅碳負(fù)極表面預(yù)涂一層鋰金屬,該涂層與負(fù)極緊密接觸,在灌注電解液后與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)嵌入負(fù)極顆粒內(nèi)部,預(yù)存一部分鋰離子在負(fù)極內(nèi)部,從而彌補(bǔ)首次充放電或者循環(huán)過(guò)程中由于形成或修復(fù)SEI膜所需要消耗的Li離子。


相比于高難度、高投入的負(fù)極補(bǔ)鋰工藝,正極補(bǔ)鋰就顯得樸實(shí)多了,典型的正極補(bǔ)鋰的工藝是在正極勻漿的過(guò)程中,向其中添加少量的高容量正極材料,在充電的過(guò)程中,多余的Li元素從這些富鋰正極材料脫出,嵌入到負(fù)極中補(bǔ)充首次充放電的不可逆容量。


下面就國(guó)內(nèi)外主要研究情況給大家做個(gè)說(shuō)明

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充電溫度:0~45℃
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-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

國(guó)外實(shí)驗(yàn)室情況


例如美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Xin Su等人,就通過(guò)在LiCoO2正極里添加7%的Li5FeO4(LFO)材料,使得電池的首次效率提高了14%,并顯著的改善了電池的循環(huán)性能。Li5FeO4材料的理論比容量可達(dá)700mAh/g,并且?guī)缀跛械娜萘坎豢赡妗?/p>


干貨!2000字詳解硅負(fù)極 帶你了解寧德時(shí)代811量產(chǎn)的奧秘!


美國(guó)斯坦福大學(xué)提出的一種新的負(fù)極補(bǔ)鋰思路。一般而言負(fù)極補(bǔ)鋰,無(wú)論是鋰粉還是鋰箔,都是采用金屬鋰,但是金屬鋰反應(yīng)活性很高,對(duì)水分十分敏感,并且還存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn),在實(shí)際中應(yīng)用非常困難。為了解決這一問題,斯坦福大學(xué)的Jie Zhao等提出了采用人造SEI膜高穩(wěn)定LiXSi納米顆粒進(jìn)行補(bǔ)鋰的思路。


憑借LiXSi顆粒較低的電勢(shì),引起1-氟代癸烷在其表面發(fā)生分解,形成了一層致密的鈍化層,顯著的提高了LiXSi顆粒的穩(wěn)定性。其預(yù)鋰化容量達(dá)到2100mAh/g,在干燥空氣中幾乎不發(fā)生衰降,在10%相對(duì)濕度的空氣中存儲(chǔ)6h,仍然能夠保持1600mAh/g的容量。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
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電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

上述過(guò)程制備的LiXSi材料容量發(fā)揮為2078mAh/g,Jie Zhao將LiXSi材料與Si納米顆粒、碳黑和PVDF進(jìn)行混合(比例為10:55:20:15)制備成電極。該電極與電解液接觸后在電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下,Li開始在負(fù)極內(nèi)部發(fā)生擴(kuò)散,大約6h以后達(dá)到平衡狀態(tài)。在LiXSi材料的幫助下,Si負(fù)極的首次效率從76.1%,提高到96.8%。由于石墨材料的容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Si材料,因此少量的LiXSi材料(石墨:LiXSi=85:5)就能將石墨材料的首次效率從87.4%提高到99.2%。


作為新型鋰離子電池負(fù)極材料,硅碳負(fù)極對(duì)于提升電池能量密度能發(fā)揮比當(dāng)前石墨負(fù)極更顯著功效。硅碳負(fù)極的應(yīng)用,可以提升電池中活性物質(zhì)含量,從而大大提升單體電芯的容量。據(jù)預(yù)測(cè),2020年硅碳負(fù)極材料市場(chǎng)空間50億左右,同時(shí)市場(chǎng)集中度將非常高。


據(jù)了解,目前已經(jīng)有上海杉杉、斯諾、國(guó)軒高科等多家企業(yè)已經(jīng)在積極布局硅碳負(fù)極領(lǐng)域,到底誰(shuí)將扛起行業(yè)市場(chǎng)大旗占據(jù)高地呢?請(qǐng)看下面具體企業(yè)布局情況:


補(bǔ)鋰工藝最大的瓶頸是對(duì)環(huán)境要求特別苛刻,金屬鋰粉是很危險(xiǎn)的物品,用不好會(huì)著火和爆炸,沒有足夠研發(fā)能力的企業(yè)不一定敢去做這個(gè)東西。所以國(guó)內(nèi)補(bǔ)鋰最成功的案例是寧德時(shí)代新能源有限公司,從專利布局來(lái)看從2012年就開始做此類研究,并且公司相關(guān)技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。有著多年技術(shù)積累的CATL始終走在中國(guó)鋰電行業(yè)的前端。據(jù)悉寧德時(shí)代2017年研發(fā)投入超過(guò)16億元人民幣,技術(shù)的累計(jì)加上敢于投入這也是寧德時(shí)代獲得成功的原因吧!


從補(bǔ)鋰方式說(shuō),撒鋰粉,由于鋰粉比表面積大,容易飄,有被人體吸入風(fēng)險(xiǎn),不安全;鋰帶,壓不了那么薄,會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)鋰過(guò)量,長(zhǎng)期使用存在安全隱患;電化學(xué)補(bǔ)鋰,效率又太低。那么到底要量產(chǎn)補(bǔ)鋰到底如何制定策略?


根據(jù)CATL此前申請(qǐng)的“一種向鋰離子電池負(fù)極片補(bǔ)充鋰粉的裝置”專利來(lái)看,已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)改變收放卷機(jī)構(gòu)的牽引速度和電場(chǎng)強(qiáng)度的控制,可以使負(fù)極片分散的鋰粉的量得到精確控制,克服金屬鋰粉在空氣中的漂浮,使鋰粉準(zhǔn)確、定量、均勻地分散在負(fù)極片表面,而且不會(huì)擠壓鋰粉,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)極片的補(bǔ)鋰操作。


CATL表示,整個(gè)制備過(guò)程工序簡(jiǎn)單、成本低,尤其當(dāng)采用可編程邏輯控制器時(shí),還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),使該方法適合于量產(chǎn),提升生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。

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