ความหนาแน่นของพลังงานหมายถึงปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในหน่วยของพื้นที่หรือมวลของสสาร ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่คือพลังงานไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากปริมาตรหน่วยเฉลี่ยหรือมวลของแบตเตอรี่ ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองมิติ: ความหนาแน่นของพลังงานกราวิเมตริกและความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร

ความหนาแน่นของพลังงานคืออะไร?
ความหนาแน่นของพลังงานหมายถึงปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในหน่วยของพื้นที่หรือมวลของสสาร ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่คือพลังงานไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากปริมาตรหน่วยเฉลี่ยหรือมวลของแบตเตอรี่ ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองมิติ: ความหนาแน่นของพลังงานกราวิเมตริกและความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตร

ความหนาแน่นของพลังงานน้ำหนักของแบตเตอรี่ = ความจุของแบตเตอรี่ × แท่นปล่อย/น้ำหนัก หน่วยพื้นฐานคือ Wh/kg (วัตต์-ชั่วโมง/กก.)
ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรของแบตเตอรี่ = ความจุของแบตเตอรี่ × แท่นปล่อย/ปริมาตร หน่วยพื้นฐานคือ Wh/L (วัตต์- ชั่วโมง/ลิตร)
ยิ่งแบตเตอรี่มีความหนาแน่นของพลังงานมากเท่าใด ก็จะสามารถเก็บไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตรหรือน้ำหนักได้มากเท่านั้น

ความหนาแน่นของพลังงานโมโนเมอร์คืออะไร?
ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่มักจะชี้ไปที่แนวคิดที่แตกต่างกันสองแบบ หนึ่งคือความหนาแน่นพลังงานของเซลล์เดียว และอีกอันคือความหนาแน่นพลังงานของระบบแบตเตอรี่

เซลล์เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของระบบแบตเตอรี่ เซลล์ M สร้างโมดูล และโมดูล N สร้างชุดแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของแบตเตอรี่พลังงานในรถยนต์

ความหนาแน่นพลังงานของเซลล์เดียวตามชื่อคือความหนาแน่นของพลังงานที่ระดับของเซลล์เดียว

ตาม "ผลิตในจีน 2025" แผนการพัฒนาของแบตเตอรี่พลังงานมีความชัดเจน: ในปี 2020 ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่จะสูงถึง 300Wh/กก. ในปี 2025 ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่จะสูงถึง 400Wh/kg; ในปี 2030 ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่จะสูงถึง 500Wh/kg หมายถึงความหนาแน่นของพลังงานที่ระดับของเซลล์เดียว

ความหนาแน่นของพลังงานของระบบคืออะไร?
ความหนาแน่นของพลังงานของระบบหมายถึงน้ำหนักหรือปริมาตรของระบบแบตเตอรี่ทั้งหมดหลังจากการรวมโมโนเมอร์เสร็จสิ้น เนื่องจากระบบแบตเตอรี่ประกอบด้วยระบบจัดการแบตเตอรี่ ระบบจัดการความร้อน วงจรไฟฟ้าแรงสูงและต่ำ เป็นต้น ซึ่งกินพื้นที่ส่วนหนึ่งของระบบน้ำหนักและพื้นที่ภายในของระบบแบตเตอรี่ ความหนาแน่นของพลังงานของระบบแบตเตอรี่จึงต่ำกว่าความหนาแน่นของพลังงาน ของโมโนเมอร์

ความหนาแน่นของพลังงานของระบบ = การชาร์จระบบของแบตเตอรี่/น้ำหนักของระบบแบตเตอรี่ หรือ ปริมาตรของระบบแบตเตอรี่
อะไรกันแน่ที่จำกัดความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียม
เคมีที่อยู่เบื้องหลังแบตเตอรี่เป็นสาเหตุหลัก

โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมทั้งสี่ส่วนมีความสำคัญอย่างยิ่ง: อิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ อิเล็กโทรไลต์ และไดอะแฟรม อิเล็กโทรดบวกและลบเป็นที่ที่เกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเทียบเท่ากับเส้นเลือดสองเส้นของ Ren และ Du และความสำคัญของพวกมันก็ปรากฏชัด เราทุกคนทราบดีว่าความหนาแน่นของพลังงานของระบบก้อนแบตเตอรี่ที่มีลิเธียมแบบไตรภาคเนื่องจากอิเล็กโทรดบวกนั้นสูงกว่าระบบก้อนแบตเตอรี่ที่มีลิเธียมโซเดียมฟอสเฟตเป็นอิเล็กโทรดบวก ทำไมถึงเป็นเช่นนี้?

วัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นกราไฟท์ และความจุกรัมตามทฤษฎีของกราไฟท์คือ 372mAh/g ความจุกรัมตามทฤษฎีของวัสดุแคโทดลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นเพียง 160mAh/g ในขณะที่วัสดุที่ประกอบด้วยนิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีส (NCM) ประมาณ 200mAh/g

ตามทฤษฎีบาร์เรล ระดับน้ำถูกกำหนดโดยส่วนที่สั้นที่สุดของถัง และขีดจำกัดล่างของความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นอยู่กับวัสดุแคโทด

แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าของลิเธียมเหล็กฟอสเฟตคือ 3.2V และตัวบ่งชี้ที่ประกอบไปด้วย 3.7V ความหนาแน่นของพลังงานสูงและความแตกต่างคือ 16% เมื่อเปรียบเทียบกับทั้งสอง

แน่นอน นอกจากระบบเคมีแล้ว ระดับกระบวนการผลิต เช่น ความหนาแน่นของการบดอัด ความหนาของฟอยล์ ฯลฯ ก็ส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงานด้วยเช่นกัน โดยทั่วไป ยิ่งความหนาแน่นของการบดอัดสูงเท่าใด ความจุของแบตเตอรี่ก็จะสูงขึ้นในพื้นที่จำกัด ดังนั้นความหนาแน่นของการบดอัดของวัสดุหลักจึงถือเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดอ้างอิงของความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่

ในตอนที่สี่ของ "Great Power II" CATL นำฟอยล์ทองแดงขนาด 6 ไมครอนมาใช้ โดยใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน

หากคุณสามารถอ่านแต่ละบรรทัดได้ ให้อ่านจนถึงจุดนี้ ขอแสดงความยินดี ความเข้าใจเกี่ยวกับแบตเตอรี่ของคุณมาถึงระดับใหม่แล้ว

จะปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานได้อย่างไร?
การนำระบบวัสดุใหม่มาใช้ การปรับโครงสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างละเอียด และการปรับปรุงความสามารถในการผลิตเป็นสามขั้นตอนสำหรับวิศวกร R&D ที่จะ "เต้นอย่างสง่างาม" ด้านล่างนี้เราจะอธิบายจากสองมิติของซิงเกิ้ลและระบบ
—— ความหนาแน่นของพลังงานส่วนบุคคล ส่วนใหญ่อาศัยความก้าวหน้าในระบบเคมี

1. เพิ่มขนาดของ

แบตเตอรี่ ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถบรรลุผลของการขยายกำลังการผลิตโดยการเพิ่มขนาดของแบตเตอรี่เดิม เราคุ้นเคยกับตัวอย่างมากที่สุด: Tesla บริษัทรถยนต์ไฟฟ้าที่มีชื่อเสียงซึ่งเป็นผู้นำในการใช้แบตเตอรี่ 18650 ของ Panasonic จะแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ 21700 ใหม่

อย่างไรก็ตาม เซลล์ที่ "อ้วน" หรือ "ยาว" เป็นเพียงวิธีแก้ปัญหาชั่วคราว ไม่ใช่สาเหตุที่แท้จริง วิธีการดึงค่าจ้างจากด้านล่างของกาต้มน้ำคือการหาเทคโนโลยีหลักในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานจากวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบและส่วนประกอบอิเล็กโทรไลต์ที่ประกอบเป็นหน่วยแบตเตอรี่

2. การเปลี่ยนแปลงในระบบเคมี

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ถูกควบคุมโดยขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานของวัสดุอิเล็กโทรดลบนั้นสูงกว่าของอิเล็กโทรดบวกมาก จึงจำเป็นต้องอัพเกรดวัสดุอิเล็กโทรดบวกอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน

แคโทดนิกเกิลสูง

วัสดุไตรภาคโดยทั่วไปหมายถึงตระกูลใหญ่ของนิกเกิลโคบอลต์ลิเธียมแมงกาเนตออกไซด์ เราสามารถเปลี่ยนประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนของนิกเกิล โคบอลต์ และแมงกานีส

ในรูปของซิลิคอนคาร์บอนแอโนด

ความจุจำเพาะของวัสดุแอโนดที่ใช้ซิลิกอนสามารถเข้าถึง 4200mAh/g ซึ่งสูงกว่าความจุเฉพาะทางทฤษฎีของแอโนดกราไฟท์ที่ 372mAh/g ดังนั้นจึงกลายเป็นตัวทดแทนที่มีประสิทธิภาพสำหรับแอโนดกราไฟท์

ในปัจจุบัน การใช้วัสดุคอมโพสิตซิลิกอนคาร์บอนเพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางการพัฒนาของวัสดุแอโนดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อุตสาหกรรมยอมรับ รุ่น 3 ที่ออกโดยเทสลาใช้แอโนดคาร์บอนซิลิกอน

ในอนาคต หากคุณต้องการก้าวไปอีกขั้นและฝ่าอุปสรรค 350Wh/kg สำหรับเซลล์เดี่ยว คู่แข่งในอุตสาหกรรมอาจต้องให้ความสำคัญกับระบบแบตเตอรี่ชนิดลิเธียมเมทัลเชิงลบ แต่ก็หมายความว่ากระบวนการผลิตแบตเตอรี่ทั้งหมดเปลี่ยนไป และความปราณีต จะเห็นได้จากวัสดุไตรภาคทั่วไปหลายแบบในจีนว่าสัดส่วนของนิกเกิลสูงขึ้นเรื่อยๆ และสัดส่วนของโคบอลต์ก็ลดลงเรื่อยๆ ยิ่งเนื้อหานิกเกิลสูงเท่าใด ความจุจำเพาะของเซลล์ก็จะยิ่งสูงขึ้น นอกจากนี้ เนื่องจากทรัพยากรโคบอลต์ขาดแคลน การเพิ่มสัดส่วนของนิกเกิลจะทำให้ปริมาณโคบอลต์ที่ใช้ลดลง

3. ความหนาแน่นของพลังงานของระบบ: ปรับปรุงประสิทธิภาพของกลุ่มแบตเตอรี่
การจัดกลุ่มชุดแบตเตอรี่ทดสอบความสามารถของแบตเตอรี่ "สิงโตล้อม" เพื่อจัดเรียงเซลล์และโมดูลเดี่ยว จำเป็นต้องใช้ความปลอดภัยเป็นหลัก และใช้พื้นที่ทุกตารางนิ้วให้เกิดประโยชน์สูงสุด

มีวิธีการหลักในการ "ลดขนาด" ของก้อนแบตเตอรี่ดังต่อไปนี้

ปรับเค้าโครงให้เหมาะสม
ในแง่ของขนาดภายนอก การจัดเรียงภายในของระบบสามารถปรับให้เหมาะสมเพื่อให้การจัดส่วนประกอบภายในชุดแบตเตอรี่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

การเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี
เราตระหนักถึงการออกแบบการลดน้ำหนักผ่านการคำนวณแบบจำลองบนสมมติฐานเพื่อให้มั่นใจถึงความแข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง ด้วยเทคโนโลยีนี้ การเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีและการเพิ่มประสิทธิภาพภูมิประเทศสามารถทำได้และในที่สุดก็ช่วยให้บรรลุกล่องแบตเตอรี่น้ำหนักเบา

การเลือกใช้ วัสดุ
เราสามารถเลือกวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำ ตัวอย่างเช่น ฝาครอบด้านบนของชุดแบตเตอรี่ค่อยๆ เปลี่ยนจากฝาครอบด้านบนแบบแผ่นโลหะแบบดั้งเดิมไปเป็นฝาครอบด้านบนแบบวัสดุคอมโพสิต ซึ่งสามารถลดน้ำหนักได้ประมาณ 35% สำหรับกล่องด้านล่างของชุดแบตเตอรี่นั้น สารละลายแผ่นโลหะแบบดั้งเดิมค่อยๆ เปลี่ยนเป็นโซลูชันโปรไฟล์อะลูมิเนียม โดยลดน้ำหนักลงประมาณ 40% และให้ผลลัพธ์ที่เบาอย่างเห็นได้ชัด

การออกแบบบูรณาการยานพาหนะ

การออกแบบที่ผสมผสานกันของรถยนต์ทั้งคันและการออกแบบโครงสร้างรถยนต์ทั้งหมดจะถูกนำมาพิจารณา และมีการใช้ชิ้นส่วนโครงสร้างร่วมกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เช่น การออกแบบป้องกันการชนกัน เพื่อให้ได้น้ำหนักเบาที่สุด

แบตเตอรี่เป็นผลิตภัณฑ์ที่ครอบคลุมมาก หากคุณต้องการปรับปรุงประสิทธิภาพในด้านใดด้านหนึ่ง คุณอาจเสียสละประสิทธิภาพในด้านอื่นๆ นี่เป็นพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจการออกแบบและพัฒนาแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ไฟฟ้ามีไว้สำหรับรถยนต์โดยเฉพาะ ดังนั้นความหนาแน่นของพลังงานจึงไม่ได้เป็นเพียงตัววัดคุณภาพของแบตเตอรี่เท่านั้น