Почему литиевая батарея не может иметь высокую мощность и высокую плотность энергии

Для чисто электрических транспортных средств с литий-ионными батареями сложность зарядки по-прежнему является большой проблемой, поэтому «быстрая зарядка» стала уловкой для многих производителей. По мнению автора, проблему быстрой зарядки литиевых аккумуляторов необходимо анализировать с двух уровней.

На уровне элемента производительность умножителя литий-ионного аккумулятора ограничена характеристиками собственной передачи системы коллокации материала анод / электролит / отрицательный электрод, с одной стороны, а с другой стороны, технология микросхемы и конструкция структуры ячейки также имеют большое влияние на производительность множителя. Однако с точки зрения проводимости носителей и транспортных операций литий не подходит для «быстрой зарядки». Собственная проводимость носителей и перенос литиевой системы зависят от проводимости материалов анода и катода, коэффициента диффузии ионов лития и проводимости органического электролита.

На основе встроенного механизма реакции иона лития в анодных материалах (одномерные ионные каналы оливина, двухмерные канальные слоистые материалы и трехмерный шпинельный катодный материал) и отрицательных графитовых анодных материалах (слоях) коэффициент диффузии, как правило, представляет собой водная система. константа скорости реакции РЕДОКС вне фазы вторичной батареи низкая на несколько порядков. Более того, ионная проводимость органического электролита на два порядка ниже, чем у электролита вторичной батареи водяной системы (сильная кислота или сильное основание).

Отрицательный электрод литиевой батареи имеет на поверхности пленку SEI. Поляризация порошкового электрода в органическом электролите намного серьезнее, чем в водной системе. Кроме того, в условиях зарядки с большим увеличением решетка положительного материала легко повреждается, и отрицательный слой графитового листа также может быть поврежден. Все эти факторы ускорят уменьшение емкости, что серьезно скажется на сроке службы аккумуляторной батареи.

Следовательно, внутренние характеристики встроенной реакции определяют, что литий-ионные батареи не подходят для высокоскоростной зарядки. Результаты исследования подтвердили, что срок службы одной батареи будет значительно сокращен в режимах быстрой зарядки и быстрого снятия, а производительность батареи значительно снизится в более поздний период использования.

Конечно, один читатель может сказать: разве нельзя заряжать и разряжать батареи из титаната лития (LTO) на высоких скоростях? Множественность титаната лития можно объяснить его кристаллической структурой и коэффициентом диффузии ионов. Однако удельная энергия батареи титаната лития очень низкая, и использование ее типа мощности достигается за счет плотности энергии, что приводит к высокой удельной стоимости энергии ($ / Втч) батареи титаната лития и низкой стоимости производительности. определяет, что литий-титанатная батарея не может стать основным направлением разработки литиевых батарей. В самом деле, вялые продажи аккумуляторов Toshiba SCiB за последние несколько лет говорят сами за себя.

На уровне ячеек многофакторные характеристики могут быть улучшены с точки зрения технологии микросхем и конструкции ячеек, таких как уменьшение толщины электрода или увеличение доли проводящего агента. Более того, некоторые производители прибегли к крайним мерам, таким как снятие термисторов с ячеек и сгущение жидкости коллектора. Фактически, многие отечественные производители аккумуляторных батарей имеют в качестве технической изюминки свои аккумуляторные батареи LFP с характеристиками высокой мощности 30 ° C или даже 50 ° C.

Что я хочу здесь отметить, так это то, что в качестве теста да, но то, что происходит внутри ячейки, является ключевым. При длительном времени и высокой скорости заряда и разряда структура положительных и отрицательных материалов могла быть разрушена, и литий уже был отделен от отрицательного электрода. Эти проблемы необходимо выявить с помощью некоторых методов обнаружения на месте (таких как SEM, XRD, нейтронная дифракция и т. Д.). К сожалению, имеется мало сообщений о применении этих методов обнаружения на месте на отечественных аккумуляторных предприятиях.

Здесь автор также напоминает читателю обратить внимание на разницу между процессом зарядки и разрядки литиевой батареи. В отличие от процесса зарядки, повреждения, вызванные разрядом литиевой батареи при высокой мощности (внешняя работа), не так серьезны, как повреждения, вызванные быстрой зарядкой, которая аналогична другим вторичным батареям в водных системах. Однако для практического использования электромобилей потребность в высокоскоростной зарядке (быстрой зарядке), несомненно, более актуальна, чем разрядка сильным током.

Что касается уровня заряда аккумуляторной батареи, ситуация будет более сложной. В процессе зарядки зарядное напряжение и ток разных отдельных батарей не согласованы, что неизбежно приведет к тому, что время зарядки силовых аккумуляторов будет превышать время зарядки отдельных аккумуляторов. Это означает, что аккумуляторная батарея наверняка превзойдет половину емкости одной батареи за 30 минут при обычной зарядке, отчасти потому, что преимущества быстрой зарядки не так очевидны.

Кроме того, в процессе использования (разряда) литий-ионного аккумулятора, его потребляемая емкость и время разряда не зависят от линейной зависимости, а от времени ускорения снижения. Например, если полный запас хода электромобиля составляет 200 км, аккумуляторная батарея может иметь 80% своей емкости после нормального пробега в 100 км. Когда емкость аккумулятора составляет 50%, электромобиль может проехать только 50 км. Эта особенность литий-ионных аккумуляторов говорит нам о том, что зарядка только половины или 80% мощности аккумуляторной батареи не может удовлетворить фактические потребности в использовании электромобилей. Например, широко разрекламированная технология быстрой зарядки Tesla на самом деле является скорее уловкой, чем практичной, по мнению автора, и частая быстрая зарядка определенно ухудшит срок службы и производительность аккумулятора и создаст серьезные риски для безопасности.

Поскольку литиевая батарея по существу не подходит для быстрой зарядки, то теоретически режим электрического изменения может компенсировать его недостаток быстрой зарядки. Хотя конструкция силовой батареи в подключаемом типе приводит к прочности конструкции транспортного средства и технической сложной проблеме электрической изоляции, но также и к стандарту интерфейса батареи и сверхсложной проблеме, но я лично считаю, что эту модель все же можно рассматривать как технологию для литий-ионных аккумуляторов. проблемы с быстрой зарядкой аккумулятора (тоже только технически более практичный способ.

По мнению автора, причина, по которой модель «аренда аккумуляторов + обмен энергии» не имеет успешного прецедента в мире, кроме проблемы привычек потребления (владелец считает, что аккумулятор - это его частная собственность, как и машина), главная Препятствие кроется в огромной проблеме распределения прибыли, скрытой за техническими стандартами. На западе, ориентированном на рынок, решить проблему намного сложнее, чем в Китае. Лично автор полагает, что в будущем может появиться большое пространство для развития модели «замена электричества на электричество» в тех областях, где сосредоточены чисто электрические транспортные средства, такие как автобусы, такси или общие транспортные средства.

2.3.2 высокие энергетические характеристики топливных элементов: по сравнению с проблемой быстрой зарядки литий-ионных силовых элементов, проблема заполнения водородом топливных элементов намного проще. Почти все современные БЭУ можно заправить водородом за три минуты. Хотя три минуты - это немного дольше, чем обычная заправка, это ничто по сравнению с шестичасовой чистой зарядкой / получасовой быстрой зарядкой Tesla. Однако нецелесообразно сравнивать проблему быстрой зарядки лития с гидрированием топливных элементов. Поскольку зарядку электромобиля легко совместить с электросетью и гидрогенизацией топливных элементов, построить инфраструктуру намного сложнее, чем зарядные станции.

Когда дело доходит до характеристик мощности, автор снова обсуждает удельную мощность литиевой батареи и топливного элемента, потому что мощность на самом деле является проблемой мощности. Технически литий-ионные батареи можно заряжать и разряжать с большей скоростью, используя процесс, который включает в себя очень тонкие электроды или увеличение количества проводящего материала в батарее.

Другими словами, для одного литиевого элемента принципиально невозможно иметь одновременно высокую плотность энергии и высокую плотность мощности. Например, одиночный элемент A123 AHR32113 имеет отличные характеристики увеличения, а его удельная мощность может достигать 2,7 кВт / кг в условиях испытания сверхвысокого увеличения при 40 ° C, но его плотность энергии составляет всего 70 Вт-ч / кг. В качестве другого примера, плотность энергии элемента soft-pack i-phone7 достигла уровня 250 Вт-ч / кг, но его энергетические характеристики относительно низки, и он может заряжаться и разряжаться только с низким уровнем мощности ниже 0,5c.

Но я хочу подчеркнуть здесь, что топливные элементы могут легко быть как высокой энергии, так и высокой мощности, что происходит именно из-за их уникального открытого принципа работы. Реактор PEMFC является местом электрохимической генерации. Его уникальный гетерогенный электрокаталитический процесс реакции обеспечивает высокую плотность тока обмена на поверхности катализатора Pt / C независимо от электрохимического окисления водорода или электрохимического восстановления кислорода.

Фактически, плотность тока реакторов PEMFC нового поколения Toyota и GM обычно близка к уровню 1 А / см2 в реальных рабочих условиях (0,6-0,7 В для одной батареи), что примерно на два порядка выше, чем сила тока. плотность широко используемых в Китае аккумуляторных батарей LFP из расчета 1С.

Система PEMFC ToyotaMirai имеет плотность энергии более 350 Втч / кг и удельную мощность 2,0 кВт / кг. Напротив, литий-ионная аккумуляторная система TeslaModelS имеет плотность энергии 156 Втч / кг, в то время как плотность мощности составляет всего 0,16 кВт / кг, что на порядок ниже, чем у Mirai! Пакет PEMFC собран как одноячеечный фильтр-пресс, и его мощность может быть увеличена за счет увеличения количества отдельных ячеек (нелинейность). Плотность энергии PEMFC зависит от количества водорода, хранящегося в системе хранения водорода, которое также может быть увеличено за счет увеличения объема или количества резервуаров для хранения водорода.

Другими словами, система PEMFC может иметь как высокую плотность энергии, так и высокую удельную мощность, что невозможно для любого типа аккумуляторной батареи. Основная причина заключается в существенном различии между закрытой системой и открытым режимом работы. Но одновременно обладает высокой мощностью и высокой характеристикой состояния мощности, именно современный автомобиль является самым основным техническим требованием для энергосистемы.

Страница содержит содержимое машинного перевода.