Factores que influyen en la capacidad de carga rápida de las baterías de iones de litio
Cada batería de litio tiene un valor de corriente de carga óptimo bajo diferentes parámetros de estado y parámetros ambientales. Luego, desde la perspectiva de la estructura de la batería, ¿cuáles son los factores que afectan este valor de carga óptimo?
El proceso microscópico de carga
Las baterías de litio se conocen como baterías de "mecedora", en las que los iones cargados se mueven entre los electrodos positivos y negativos para transferir cargas a los circuitos externos de alimentación o carga desde una fuente de alimentación externa. En el proceso de carga específico, el voltaje externo se aplica a los dos polos de la batería, y los iones de litio se desintercalan del material del electrodo positivo y entran en el electrolito. Al mismo tiempo, el exceso de electrones se genera a través del colector de corriente del electrodo positivo y se mueve al electrodo negativo a través del circuito externo; los iones de litio están en el electrolito. Se mueve del electrodo positivo al electrodo negativo, y pasa a través del separador al electrodo negativo; la película SEI que pasa a través de la superficie del electrodo negativo está incrustada en la estructura en capas de grafito del electrodo negativo y se combina con electrones.
La estructura de la batería, ya sea electroquímica o física, que afecta la transferencia de carga a lo largo de la operación iónica y electrónica tendrá un impacto en el rendimiento de carga rápida.
Carga rápida, requisitos para cada parte de la batería
Para las baterías, si desea mejorar el rendimiento de la energía, debe trabajar duro en todos los aspectos de la batería en su conjunto, incluidos los electrodos positivos, los electrodos negativos, los electrolitos, los diafragmas y el diseño estructural.
electrodo positivo
De hecho, casi todos los tipos de materiales catódicos se pueden utilizar para fabricar baterías de carga rápida. Las principales prestaciones que deben garantizarse incluyen la conductancia (reducir la resistencia interna), la difusión (garantizar la cinética de reacción), la vida útil (sin necesidad de explicar), la seguridad (sin necesidad de explicación), el rendimiento de procesamiento adecuado (el área de superficie específica no debe ser demasiado grande para reducir las reacciones laterales y servir a la seguridad).
Por supuesto, los problemas a resolver para cada material específico pueden ser diferentes, pero nuestros materiales de cátodo común pueden cumplir con estos requisitos a través de una serie de optimizaciones, pero los diferentes materiales también son diferentes:
R. El fosfato de hierro y litio puede centrarse más en resolver los problemas de conductividad eléctrica y baja temperatura. El recubrimiento de carbono, la nano-ización moderada (nótese que es moderada, definitivamente no la lógica simple de más fino es mejor), y la formación de conductores iónicos en la superficie de las partículas son las estrategias más típicas.
B. La conductividad eléctrica del material ternario en sí es relativamente buena, pero su reactividad es demasiado alta, por lo que el material ternario rara vez es de tamaño nanométrico (la nanoquímica no es un antídoto para la mejora del rendimiento del material, especialmente en el campo de las baterías. A veces hay muchos efectos adversos), y se presta más atención a la seguridad y la inhibición de las reacciones secundarias (con electrolito), después de todo, uno de los puntos clave de los materiales ternarios actuales es la seguridad, y los recientes accidentes frecuentes de seguridad de la batería también lo son en este sentido. proponer requisitos más elevados.
C. El manganato de litio presta más atención a la vida. En la actualidad, hay muchas baterías de carga rápida de la serie de manganato de litio en el mercado.
electrodo negativo
Cuando se carga una batería de iones de litio, el litio migra al electrodo negativo. El alto potencial traído por la alta corriente de carga rápida hará que el potencial del electrodo negativo sea más negativo. En este momento, la presión del electrodo negativo para aceptar rápidamente el litio aumentará, y la tendencia a generar dendritas de litio aumentará. Por lo tanto, el electrodo negativo no solo debe cumplir con los requisitos de difusión de litio durante la carga rápida Por lo tanto, la principal dificultad técnica de las celdas de carga rápida es en realidad la inserción de iones de litio en el electrodo negativo.
Un. En la actualidad, el material de electrodo negativo dominante en el mercado sigue siendo el grafito (que representa aproximadamente el 90% de la cuota de mercado). No hay otra razón fundamental: barato, y el rendimiento de procesamiento integral y la densidad de energía del grafito son relativamente buenos, y las deficiencias son relativamente pocas. . Por supuesto, el electrodo negativo de grafito también tiene problemas. Su superficie es sensible al electrolito, y la reacción de intercalación del litio tiene una fuerte direccionalidad. Por lo tanto, es principalmente necesario realizar un tratamiento superficial de grafito para mejorar su estabilidad estructural y promover la difusión de iones de litio sobre el sustrato. dirección.
B. El carbono duro y los materiales de carbono blando también se han desarrollado mucho en los últimos años: los materiales de carbono duro tienen un alto potencial de intercalación de litio y hay microporos en el material, por lo que la cinética de reacción es buena; mientras que los materiales de carbono blando tienen una buena compatibilidad con electrolitos, MCMB El material también es muy representativo, pero la eficiencia de los materiales de carbono duro y blando es generalmente baja y el costo es alto (y no es muy esperanzador desde un punto de vista industrial ser tan barato como el grafito), por lo que el consumo actual es mucho menor que el de grafito, y es más utilizado en algún especial en la batería.
C. ¿Qué tal el titanato de litio? En pocas palabras: las ventajas del titanato de litio son la alta densidad de potencia y la seguridad, y las desventajas también son obvias, la densidad de energía es muy baja y el costo calculado por Wh es muy alto. Por lo tanto, el punto de vista de la batería de titanato de litio es una tecnología útil con ventajas en ciertas ocasiones, pero no es adecuada para muchas ocasiones con altos requisitos en costo y rango de crucero.
D. El material de ánodo de silicio es una dirección de desarrollo importante. La nueva batería 18650 de Panasonic ha comenzado el proceso comercial de dichos materiales. Sin embargo, cómo lograr un equilibrio entre el rendimiento perseguido por la nanotecnología y los requisitos generales a escala de micras de la industria de baterías para materiales sigue siendo una tarea desafiante.
diafragma
Para las baterías de energía, el funcionamiento de alta corriente proporciona requisitos más altos para su seguridad y vida. La tecnología de recubrimiento separador es ineludible. Los separadores recubiertos de cerámica se están alejando rápidamente debido a su alta seguridad y la capacidad de consumir impurezas en el electrolito, especialmente para la mejora de la seguridad de las baterías ternarias.
El principal sistema utilizado actualmente para los diafragmas cerámicos es recubrir la superficie de los diafragmas tradicionales con partículas de alúmina. Un enfoque relativamente novedoso es recubrir fibras electrolíticas sólidas en el diafragma. Tales diafragmas tienen menor resistencia interna y mejor soporte mecánico para el diafragma. Excelente, y tiene una menor tendencia a bloquear los poros del diafragma durante el servicio.
El diafragma recubierto tiene buena estabilidad. Incluso si la temperatura es relativamente alta, no es fácil encogerse y deformarse para causar un cortocircuito. Jiangsu Qingtao Energy Company, que cuenta con el apoyo técnico del grupo de investigación del académico Nan Cewen, Escuela de Materiales de la Universidad de Tsinghua, tiene algunos productos representativos en este sentido. Trabajo.
Electrólito
El electrolito tiene una gran influencia en el rendimiento de las baterías de iones de litio de carga rápida. Para garantizar la estabilidad y seguridad de la batería bajo carga rápida y alta corriente, el electrolito debe cumplir con las siguientes características: A) no se puede descomponer, B) la conductividad debe ser alta y C) es inerte a los materiales positivos y negativos, y no puede reaccionar ni disolverse.
Si se quieren cumplir estos requisitos, la clave es utilizar aditivos y electrolitos funcionales. Por ejemplo, la seguridad de las baterías recargables ternarias rápidas se ve muy afectada por ella, y se le deben agregar varios aditivos para la resistencia a altas temperaturas, retardantes de llama y anti-sobrecarga, con el fin de mejorar su seguridad hasta cierto punto. El problema de larga data de las baterías de titanato de litio, la flatulencia a alta temperatura, también debe mejorarse con electrolitos funcionales de alta temperatura.
diseño de la estructura de la batería
Una estrategia de optimización típica es apilar VS bobinado. Los electrodos de la batería apilada son equivalentes a una relación paralela, y el tipo de bobinado es equivalente a una conexión en serie. Por lo tanto, la resistencia interna del primero es mucho menor y es más adecuada para el tipo de potencia. ocasión.
Además, también puede trabajar duro en el número de pestañas para resolver problemas internos de resistencia y disipación de calor. Además, el uso de materiales de electrodos de alta conductividad, el uso de más agentes conductores y el recubrimiento de electrodos más delgados también son posibles estrategias.
En conclusión, los factores que afectan el movimiento de carga dentro de la batería y la velocidad de los orificios de los electrodos intercalados afectarán la capacidad de carga rápida de las baterías de litio.
El futuro de la tecnología de carga rápida
Si la tecnología de carga rápida de los vehículos eléctricos es una dirección histórica o un destello en la sartén, de hecho, hay diferentes opiniones y ninguna conclusión. Como una solución alternativa a la ansiedad por el alcance, se considera en una plataforma con densidad de energía de la batería y costo general del vehículo.
Se puede decir que la densidad de energía y el rendimiento de carga rápida, en la misma batería, son incompatibles en dos direcciones y no pueden tener ambas. La búsqueda de la densidad de energía de la batería es actualmente la corriente principal. Cuando la densidad de energía es lo suficientemente alta, un automóvil tiene suficiente potencia para evitar la llamada "ansiedad de kilometraje", y la demanda de rendimiento de carga de la velocidad de la batería se reducirá; al mismo tiempo, si la energía es grande, si el costo de la batería por kWh no es lo suficientemente bajo, entonces si se puede usar La compra de electricidad de Ding Kemao que "no está ansiosa" requiere que los consumidores tomen una decisión. Pensando en ello de esta manera, la carga rápida tiene el valor de la existencia. Otro ángulo es el costo de las instalaciones de carga rápida, que es, por supuesto, parte del costo de promover la electrificación en toda la sociedad.
Si la tecnología de carga rápida se puede promover a gran escala, quién se desarrolla más rápido en densidad de energía y tecnología de carga rápida, y cuál de las dos tecnologías reduce los costos, puede desempeñar un papel decisivo en su futuro.
