Lityum-iyon pillerin hızlı şarj kapasitesini etkileyen faktörler
Her bir lityum pil, farklı durum parametreleri ve çevresel parametreler altında optimum bir şarj akımı değerine sahiptir. Ardından pil yapısı açısından bu optimum şarj değerini etkileyen faktörler nelerdir?
Mikroskobik şarj işlemi
Lithium batteries are known as "rocking chair" batteries, in which charged ions move between positive and negative electrodes to transfer charges to power external circuits or charge from an external power source. In the specific charging process, the external voltage is applied to the two poles of the battery, and the lithium ions are deintercalated from the positive electrode material and enter the electrolyte. At the same time, excess electrons are generated through the positive electrode current collector and move to the negative electrode through the external circuit; lithium ions are in the electrolyte. It moves from the positive electrode to the negative electrode, and passes through the separator to the negative electrode; the SEI film passing through the surface of the negative electrode is embedded in the graphite layered structure of the negative electrode and combines with electrons.
Pilin iyonik ve elektronik çalışma boyunca yük transferini etkileyen elektrokimyasal veya fiziksel yapısı, hızlı şarj performansını etkileyecektir.
Hızlı şarj, pilin her parçası için gereksinimler
Piller için, güç performansını artırmak istiyorsanız, pozitif elektrotlar, negatif elektrotlar, elektrolitler, diyaframlar ve yapısal tasarım dahil olmak üzere pilin bir bütün olarak tüm yönleriyle çok çalışmanız gerekir.
pozitif elektrot
Aslında, pilleri hızlı şarj etmek için hemen hemen her tür katot malzemesi kullanılabilir. Garanti edilmesi gereken ana performanslar arasında iletkenlik (iç direnci düşürme), difüzyon (tepkime kinetiğini garanti eder), ömür (açıklamaya gerek yok), güvenlik (Açıklamaya gerek yok), uygun işleme performansı (belirli yüzey alanı yan reaksiyonları azaltmak ve güvenliği sağlamak için çok büyük).
Elbette, her özel malzeme için çözülmesi gereken problemler farklı olabilir, ancak ortak katot malzemelerimiz bir dizi optimizasyon yoluyla bu gereksinimleri karşılayabilir, ancak farklı malzemeler de farklıdır:
A. Lityum demir fosfat, elektriksel iletkenlik ve düşük sıcaklık problemlerini çözmeye daha fazla odaklanabilir. Karbon kaplama, orta düzeyde nano-izasyon (orta düzeyde olduğuna dikkat edin, kesinlikle daha incenin basit mantığı daha iyidir) ve parçacıkların yüzeyinde iyonik iletkenlerin oluşumu en tipik stratejilerdir.
B. Üçlü malzemenin kendisinin elektriksel iletkenliği nispeten iyidir, ancak reaktivitesi çok yüksektir, bu nedenle üçlü malzeme nadiren nano-boyutludur (nano-kimyasal, iyileştirme için bir panzehir değildir. malzeme performansı, özellikle piller alanında. Bazen çok fazla olumsuz etki vardır) ve güvenlik ve yan reaksiyonların (elektrolit ile) inhibisyonuna daha fazla dikkat edilir, sonuçta, mevcut üçlü malzemelerin kilit noktalarından biri güvenliktir ve son zamanlarda sık görülen pil güvenliği kazaları da bu konudadır. daha yüksek gereksinimler ortaya koyun.
C. Lityum manganat hayata daha fazla önem verir. Şu anda piyasada çok sayıda hızlı-şarjlı lityum manganat serisi pil bulunmaktadır.
negatif elektrot
Bir lityum-iyon pil şarj edildiğinde, lityum negatif elektrota geçer. Hızlı şarjın yüksek akımının getirdiği yüksek potansiyel, negatif elektrot potansiyelinin daha negatif olmasına neden olacaktır. Bu zamanda, negatif elektrotun lityumu hızla kabul etme basıncı artacak ve lityum dendritleri oluşturma eğilimi artacaktır. Bu nedenle, negatif elektrot, hızlı şarj sırasında yalnızca lityum difüzyon gereksinimlerini karşılamamalıdır. Bu nedenle, hızlı şarj hücrelerinin ana teknik zorluğu, aslında negatif elektrotta lityum iyonlarının eklenmesidir.
A. Şu anda pazardaki baskın negatif elektrot malzemesi hala grafittir (pazar payının yaklaşık yüzde 90'ını oluşturmaktadır). Ucuz - başka hiçbir temel neden yoktur ve grafitin kapsamlı işleme performansı ve enerji yoğunluğu nispeten iyidir ve eksiklikler nispeten azdır. . Tabii ki, grafit negatif elektrotun da sorunları var. Yüzeyi elektrolite duyarlıdır ve lityumun interkalasyon reaksiyonu güçlü bir yönlülüğe sahiptir. Bu nedenle, yapısal stabilitesini geliştirmek ve alt tabaka üzerinde lityum iyonlarının difüzyonunu teşvik etmek için esas olarak grafit yüzey işleminin gerçekleştirilmesi gereklidir. yön.
B. Sert karbon ve yumuşak karbon malzemeler de son yıllarda çok gelişti: sert karbon malzemeleri yüksek lityum interkalasyon potansiyeline sahiptir ve malzemede mikro gözenekler vardır, bu nedenle reaksiyon kinetiği iyidir; yumuşak karbon malzemeler elektrolitlerle iyi bir uyumluluğa sahipken, MCMB Malzeme de çok temsilidir, ancak sert ve yumuşak karbon malzemelerin verimliliği genellikle düşüktür ve maliyeti yüksektir (ve endüstriyel açıdan çok umut verici değildir). Grafit kadar ucuz), bu nedenle mevcut tüketim grafitten çok daha azdır ve bazı özel pillerde daha çok kullanılır.
C. Lityum titanata ne dersiniz? Basitçe söylemek gerekirse: lityum titanatın avantajları yüksek güç yoğunluğu ve güvenliktir ve dezavantajları da açıktır, enerji yoğunluğu çok düşüktür ve Wh ile hesaplanan maliyet çok yüksektir. Bu nedenle, lityum titanat pilin bakış açısı, belirli durumlarda avantajları olan kullanışlı bir teknolojidir, ancak maliyet ve seyir menzili konusunda yüksek gereksinimleri olan birçok durum için uygun değildir.
D. Silicon anode material is an important development direction. Panasonic's new 18650 battery has begun the commercial process of such materials. However, how to achieve a balance between the performance pursued by nanotechnology and the general micron-scale requirements of the battery industry for materials is still a challenging task.
diyafram
Güç pilleri için yüksek akım çalışması, güvenlikleri ve ömürleri için daha yüksek gereksinimler sağlar. Ayırıcı kaplama teknolojisi kaçınılmazdır. Seramik-kaplı ayırıcılar, yüksek güvenlikleri ve elektrolitteki kirleri tüketme yetenekleri nedeniyle, özellikle üçlü pillerin güvenliğinin iyileştirilmesi için hızla uzaklaştırılmaktadır.
Seramik diyaframlar için şu anda kullanılan ana sistem, geleneksel diyaframların yüzeyini alümina parçacıkları ile kaplamaktır. Nispeten yeni bir yaklaşım, katı elektrolit liflerini diyafram üzerine kaplamaktır. Bu tür diyaframlar, diyafram için daha düşük iç dirence ve daha iyi mekanik desteğe sahiptir. Mükemmel ve servis sırasında diyafram gözeneklerini tıkama eğilimi daha düşük.
Kaplamalı diyafram iyi bir stabiliteye sahiptir. Sıcaklık nispeten yüksek olsa bile, kısa devreye neden olacak şekilde küçülmesi ve deforme olması kolay değildir. Tsinghua Üniversitesi Malzeme Okulu, Akademisyen Nan Cewen'in araştırma grubu tarafından teknik olarak desteklenen Jiangsu Qingtao Energy Company, bu konuda bazı temsili ürünlere sahiptir. Çalışmak.
Elektrolit
Elektrolitin, hızlı-şarj edilen lityum-iyon pillerin performansı üzerinde büyük etkisi vardır. Pilin hızlı şarj ve yüksek akım altında kararlılığını ve güvenliğini sağlamak için elektrolitin aşağıdaki özellikleri karşılaması gerekir: A) bozunamaz, B) iletkenliği yüksek olmalı ve C) pozitif ve negatiflere karşı inert olmalıdır. malzemelerdir ve reaksiyona giremez veya çözülemez.
Bu gereksinimler karşılanacaksa, kilit nokta katkı maddeleri ve fonksiyonel elektrolitlerin kullanılmasıdır. Örneğin, üçlü hızlı şarj edilebilir pillerin güvenliği bundan büyük ölçüde etkilenir ve güvenliğini belirli bir dereceye kadar artırmak için yüksek sıcaklık dayanımı, alev geciktirici ve aşırı şarj önleyici -aşırı şarj için çeşitli katkı maddeleri eklenmelidir. . Lityum titanat pillerin -uzun süredir devam eden sorunu, yüksek sıcaklıkta şişkinlik, ayrıca yüksek sıcaklıkta fonksiyonel elektrolit ile iyileştirilmelidir.
pil yapısı tasarımı
Tipik bir optimizasyon stratejisi yığılmış VS sarımıdır. Yığılmış pilin elektrotları paralel bir ilişkiye eşdeğerdir ve sargı tipi bir seri bağlantıya eşdeğerdir. Bu nedenle, ilkinin iç direnci çok daha küçüktür ve güç tipi için daha uygundur. fırsat.
Ek olarak, iç direnç ve ısı dağılımı sorunlarını çözmek için sekme sayısı üzerinde de çok çalışabilirsiniz. Ek olarak, iletkenliği yüksek elektrot malzemeleri kullanmak, daha iletken maddeler kullanmak ve daha ince elektrotları kaplamak da olası stratejilerdir.
Sonuç olarak, pil içindeki şarj hareketini ve ara elektrot deliklerinin oranını etkileyen faktörler, lityum pillerin hızlı şarj kabiliyetini etkileyecektir.
Hızlı şarj teknolojisinin geleceği
Elektrikli araçların hızlı şarj teknolojisi ister tarihi bir yön, ister tavada bir flaş olsun, aslında farklı görüşler var ve sonuç yok. Menzil kaygısına alternatif bir çözüm olarak, pil enerji yoğunluğu ve toplam araç maliyeti olan bir platformda değerlendiriliyor.
Energy density and fast charging performance, in the same battery, can be said to be incompatible in two directions, and cannot have both. The pursuit of battery energy density is currently the mainstream. When the energy density is high enough, a car has enough power to avoid the so-called "mileage anxiety", and the demand for battery rate charging performance will be reduced; at the same time, if the power is large, if the battery cost per kWh is not low enough, then whether it can be used Ding Kemao's purchase of electricity that is "not anxious" requires consumers to make a choice. Thinking about it this way, fast charging has the value of existence. Another angle is the cost of fast charging facilities, which is of course part of the cost of promoting electrification in the whole society.
Hızlı şarj teknolojisinin geniş ölçekte tanıtılıp tanıtılamayacağı, enerji yoğunluğu ve hızlı şarj teknolojisinde kimin daha hızlı geliştiği ve iki teknolojiden hangisinin maliyetleri düşürdüğü, geleceğinde belirleyici rol oynayabilir.
