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2024-03-07 27 新能源及电力行业报告
我们认为,化学电源体系下多元性能的最优难以达到,往往某种性能的提升需要牺牲另一种 性能,即电池“技能树”无法全部被点亮。因此,基于丰富的下游应用场景,决定不同电池 体系仍将在长时期内共存。但必须认识到,共存并非意味着平均的市场份额,静态上会有主 流与细分的差别,动态上会有数类体系对其他体系的需求挤压: 性能变化受多种因子共同作用,影响方向可能不同。包括正负极材料类型、配比,以及 设计与制造工艺等,都会影响电池的能量密度、倍率性能等,这就意味着若影响方向不 同,将使得性能无法兼得。如锂离子电池中,电极材料与电解液在固液相界面形成的 SEI 膜能够保证 Li+嵌入脱出的同时对电子绝缘,但作为钝化膜也将使 Li+的扩散受到限制, 同时 SEI 膜的更新将造成 Li+和电解质的持续损耗,进而使电池容量下降。
一般来说,周期表中靠左的元素电极电位偏负,而靠右元素电极电位偏正。Li 的电极电位最 负,达到了-3.03V,且具有较低的电化学当量,理论比容量可达 3861mAh/g。理论情况下若 以电极电位最高和最负物质分别作正负极,形成的电池体系有最高的电动势,较高的比能量。 依据元素周期表,能构成多个高理论比能量电池体系,如锂金属电池、钠-空气电池、锂-硫电 池等。而实际上,由于物质的理化性能的特殊性,高理论比能量电池在实际开发过程中也有 较多问题。例如硫电极在常温下活性小,高温时易挥发;F2、Cl2 等气体具有毒性,因此常采 用化合物代替单质作为活性物质,导致比能量的下降。在了解决定电池比能量的上限的基础上,我们从理想回到现实,通过探究各类因素对比能量 的影响程度,将更清楚产业界如何去靠近所能达到的比能量上限。 总体来说,各类因素通过影响电动势或比容量,导致比能量的下降,带来能量转换过程中的 损失。实际比能量与理论比能量的关系如下述公式所示。式中,ηu、ηt、ηm分别表示电压效 率、反应效率、质量效率。
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