Szybkie ładowanie baterii litowej

Pożycz tę liczbę, aby zilustrować proces ładowania akumulatora, odcięta to czas, a rzędna to napięcie. Na początku ładowania akumulatora litowego nastąpi mały proces wstępnego ładowania prądem, czyli CC Pre-charge, którego celem jest stabilizacja materiałów dodatnich i ujemnych. Następnie, po ustabilizowaniu się stanu akumulatora, można go ustawić na ładowanie wysokoprądowe, czyli CC Fast Charge. Na koniec wejdź w tryb ładowania stałego napięcia (CV). W przypadku akumulatorów litowych układ uruchamia tryb ładowania stałonapięciowego po wykryciu, że napięcie osiąga 4,2 V, prąd ładowania jest stopniowo zmniejszany, a ładowanie kończy się, gdy jest on mniejszy od określonej wartości.

W całym procesie różne akumulatory mają różne standardowe prądy ładowania. Na przykład standard baterii dla produktów 3C wynosi zwykle 0,1 ° C-0,5 ° C, a dla akumulatorów o dużej mocy standardowe ładowanie wynosi zwykle 1 ° C. Wybór niższego prądu ładowania uwzględnia również bezpieczeństwo akumulatora. Dlatego zwykłe szybkie ładowanie odnosi się do prądu ładowania, który jest kilkakrotnie do kilkudziesięciu razy wyższy niż standardowy prąd ładowania.

Niektórzy mówią, że ładowanie baterii litowej jest jak nalewanie piwa. Jest' jest szybki i wypełnia się piwem, ale ma dużo piany. Nalewanie jest powolne i powolne, ale jest dużo piwa, co jest bardzo realne. Podczas gdy szybkie ładowanie oszczędza czas ładowania, spowoduje również większe uszkodzenie samej baterii. Ze względu na zjawisko polaryzacji w akumulatorze maksymalny prąd ładowania, jaki może przyjąć, będzie maleć wraz ze wzrostem cyklu ładowania i rozładowania. Gdy ładowanie jest kontynuowane, a prąd ładowania jest duży, stężenie jonów na elektrodzie wzrośnie, a polaryzacja wzrośnie. Napięcie na zaciskach nie może być wprost proporcjonalne liniowo do naładowanej mocy / energii. Jednocześnie przy ładowaniu dużym prądem wzrost rezystancji wewnętrznej zwiększy efekt grzania Joule'a (Q=I2Rt) i spowoduje reakcje uboczne, takie jak reakcyjny rozkład elektrolitu, wytwarzanie gazu i szereg problemów. Czynnik ryzyka nagle wzrasta, co wpłynie na bezpieczeństwo baterii. Wpływ, żywotność baterii innych niż zasilane nieuchronnie ulegnie znacznemu skróceniu.

01 Materiał katody

Proces szybkiego ładowania akumulatorów litowych to proces szybkiej migracji Li + z materiału elektrody dodatniej do elektrody ujemnej. Wielkość cząstek materiału elektrody dodatniej może wpływać na czas odpowiedzi procesu elektrochemicznego baterii, drogę dyfuzji jonów itp. Z badań wynika, że ​​wraz ze zmniejszaniem się wielkości ziaren materiału wzrasta współczynnik dyfuzji jonów litu. Jednak w miarę zmniejszania się wielkości cząstek materiału podczas wytwarzania masy włóknistej dochodzi do poważnej aglomeracji cząstek, co skutkuje nierównomierną dyspersją. Jednocześnie nanocząstki zmniejszą gęstość zagęszczenia nabiegunników i stykają się z elektrolitem podczas procesu ładowania i rozładowywania. Obszar się zwiększa, a reakcje uboczne wpływają na wydajność baterii.

Bardziej niezawodną metodą jest powlekanie i modyfikacja materiału elektrody dodatniej. Na przykład przewodnictwo samego LFP nie jest zbyt dobre. Po pokryciu powierzchni materiałem węglowym lub innymi materiałami można poprawić jej przewodność, co jest korzystne dla poprawy szybkiego ładowania akumulatora. występ.

02 Materiał anody

Szybkie ładowanie akumulatorów litowych oznacza, że ​​jony litu są szybko usuwane, a&„pływanie GG”; do elektrody ujemnej. W tym momencie materiał elektrody ujemnej musi mieć zdolność szybkiego wprowadzania litu. Materiały anodowe używane do szybkiego ładowania akumulatorów litowych obejmują materiały węglowe, tytanian litu i inne nowe materiały.

W przypadku materiałów węglowych, ponieważ potencjał wstawiania litu jest podobny do potencjału wytrącania litu, w przypadku ładowania konwencjonalnego jony litu są na ogół wprowadzane preferencyjnie do grafitu, ale podczas szybkiego ładowania lub w warunkach niskiej temperatury jony litu mogą wytrącać się na powierzchnia do formowania litu dendrytycznego. Lit dendrytowy przebija SEI, powodując wtórną utratę Li + i zmniejszając pojemność baterii. Gdy lit metaliczny osiągnie określoną ilość, będzie rósł od elektrody ujemnej do separatora, powodując ryzyko zwarcia baterii.

Dla LTO jest to" zerowe odkształcenie" Materiał elektrody ujemnej zawierający tlen, który nie wytwarza SEI podczas pracy akumulatora i ma silniejszą zdolność wiązania z jonami litu, co może spełnić wymagania szybkiego ładowania i szybkiego rozładowania. Jednocześnie właśnie dlatego, że SEI nie może powstać, materiał elektrody ujemnej będzie miał bezpośredni kontakt z elektrolitem, co sprzyja wystąpieniu reakcji ubocznych. Problemu produkcji gazu w akumulatorach LTO nie da się rozwiązać przez długi czas i można go jedynie złagodzić poprzez modyfikację powierzchni.

03 Roztwór elektrod

Jak wspomniano wcześniej, ze względu na niespójność prędkości migracji jonów litu i szybkości transmisji elektronów podczas szybkiego ładowania, akumulator będzie miał większą polaryzację. Aby zminimalizować negatywną reakcję wywołaną polaryzacją baterii, kierunkami badań i rozwoju elektrolitów będą następujące trzy punkty: 1. Sól elektrolitowa o wysokim stopniu dysocjacji; 2. Rekombinacja rozpuszczalnika - mniejsza lepkość; 3. Impedancja membrany kontroli interfejsu Niższa.

04 Związek między technologią produkcji a szybkim ładowaniem

Wcześniej wymagania i skutki szybkiego ładowania analizowano z trzech kluczowych materiałów, takich jak dodatnie i ujemne materiały elektrod oraz ciecz elektrodowa. Poniżej przedstawiono projekt procesu, który ma stosunkowo duży wpływ. Parametry procesu produkcji baterii mają bezpośredni wpływ na odporność na migrację jonów litu w różnych częściach baterii przed i po jej uruchomieniu, dlatego parametry procesu produkcji baterii mają istotny wpływ na wydajność baterii litowo-jonowej.

(1) Gnojowica

Jeśli chodzi o właściwości szlamu, jednym z aspektów jest utrzymanie jednorodnej dyspersji środka przewodzącego. Ponieważ środek przewodzący jest równomiernie rozprowadzony wśród cząstek materiału aktywnego, można utworzyć stosunkowo jednorodną sieć przewodzącą między materiałami aktywnymi oraz między materiałem aktywnym a kolektorem prądu, który ma za zadanie zbieranie mikroprądów, zmniejszanie rezystancji styku i zwiększanie prędkość elektronów. . Drugim aspektem jest zapobieganie nadmiernej dyspersji środka przewodzącego. Podczas procesu ładowania i rozładowywania zmieni się struktura krystaliczna materiałów dodatnich i ujemnych, co może spowodować złuszczanie się środka przewodzącego, zwiększenie rezystancji wewnętrznej baterii i wpłynąć na wydajność.

(2) Gęstość powierzchni elementu biegunowego

Teoretycznie akumulatory typu speed i akumulatory o dużej pojemności nie mogą mieć obu. Gdy gęstość powierzchni dodatnich i ujemnych elementów biegunowych jest niska, szybkość dyfuzji jonów litu może zostać zwiększona, a opór migracji jonów i elektronów może zostać zmniejszony. Im mniejsza gęstość powierzchniowa, tym cieńszy element nabiegunnikowy i mniejsza zmiana struktury nabiegunnika spowodowana ciągłym wprowadzaniem i ekstrakcją jonów litu podczas ładowania i rozładowywania. Jednakże, jeśli gęstość powierzchniowa jest zbyt niska, gęstość energii baterii zostanie zmniejszona, a koszt wzrośnie, dlatego wymagane jest kompleksowe rozważenie gęstości powierzchniowej. Poniższy rysunek jest przykładem ładowania 6C i rozładowania 1C baterii litowo-kobaltowej, możesz zobaczyć:

(3) Konsystencja powłoki nabiegunnika

Zapytany wcześniej znajomy, czy niespójna gęstość powierzchni biegunów wpłynie na akumulator? Nawiasem mówiąc, dla szybkiego ładowania jest to głównie konsystencja bieguna ujemnego. Jeśli gęstość powierzchni elektrody ujemnej jest niespójna, po walcowaniu wewnętrzna porowatość materiału aktywnego będzie zupełnie inna. Różnica w porowatości spowoduje różnicę w wewnętrznym rozkładzie prądu, wpłynie na tworzenie i działanie SEI na etapie tworzenia akumulatora, a ostatecznie wpłynie na szybkie ładowanie akumulatora.

(4) Gęstość zagęszczenia nabiegunnika

Dlaczego element biegunowy powinien być zagęszczany? Jednym z nich jest zwiększenie energii właściwej akumulatora, a drugim poprawa wydajności akumulatora. Różne materiały elektrod mają różną optymalną gęstość zagęszczenia. Im mniejsza gęstość zagęszczenia, tym mniejsza porowatość nabiegunnika elektrody, tym ściślejsze połączenie między cząstkami i mniejsza grubość nabiegunnika przy tej samej gęstości powierzchniowej, zmniejszając w ten sposób drogę migracji jonów litu. Gdy gęstość zagęszczenia jest zbyt wysoka, efekt infiltracji elektrolitu nie jest dobry, co może uszkodzić strukturę materiału i rozprowadzenie środka przewodzącego, a później pojawią się problemy z uzwojeniem. To samo jest ładunkiem 6C rozładowania akumulatora litowo-kobaltowego 1C, wpływ gęstości zagęszczenia na pojemność właściwą rozładowania jest następujący:

05 Starzenie chemiczne i inne

W przypadku baterii z anodą węglową starzenie się jest kluczowym procesem w przypadku baterii litowych, a proces ten wpłynie na jakość SEI. Nierówna grubość lub niestabilna struktura SEI wpłynie na szybkość szybkiego ładowania i żywotność baterii.

Oprócz powyższych kilku ważnych czynników, produkcja ogniw oraz systemy ładowania i rozładowania będą miały większy wpływ na wydajność baterii litowych. Ponieważ czas użytkowania wydłuża się, szybkość ładowania akumulatora powinna być umiarkowanie zmniejszona, w przeciwnym razie zwiększy się polaryzacja.

Wniosek

Istotą szybkiego ładowania i rozładowywania baterii litowych jest to, że jony litu mogą być szybko usuwane między materiałem dodatnim i ujemnym. Właściwości materiału akumulatora, projekt procesu oraz system ładowania i rozładowywania będą miały wpływ na wydajność ładowania wysokoprądowego. Stabilność strukturalna materiałów elektrod dodatnich i ujemnych nie spowoduje zapaści strukturalnej podczas szybkiego procesu usuwania litu, a jony litu szybciej rozpraszają się w materiale, aby wytrzymać ładowanie wysokoprądowe. Ze względu na niedopasowanie między szybkością migracji jonów a szybkością transmisji elektronów podczas ładowania i rozładowywania wystąpi polaryzacja. Konieczne jest maksymalne zmniejszenie polaryzacji, aby zapobiec wytrącaniu się litu metalicznego i zmniejszyć wpływ na życie.