Как улучшить быстродействие литиевых батарей?

Суть быстрой зарядки и разрядки литиевых батарей заключается в том, что ионы лития могут быстро деинтеркалировать между положительными и отрицательными материалами. Свойства материала аккумуляторной батареи, технологический процесс и системы зарядки и разрядки - все это влияет на характеристики сильноточной зарядки.

Используйте эту диаграмму, чтобы проиллюстрировать процесс зарядки аккумулятора. По оси абсцисс отложена временная ордината и используется напряжение. В начале зарядки литиевой батареи будет проводиться процесс предварительной зарядки небольшим током, а именно предварительная зарядка CCP для стабилизации положительных и отрицательных материалов. После этого, когда состояние аккумулятора стабилизируется, его можно настроить на зарядку сильным током, то есть CCFastCharge.

Наконец, войдите в режим зарядки с постоянным напряжением (CV). Для литиевой батареи система запускает режим зарядки с постоянным напряжением после того, как напряжение достигает 4,2 В, зарядный ток постепенно уменьшается, и, наконец, зарядка заканчивается после того, как значение меньше определенного значения.

На протяжении всего процесса для разных аккумуляторов доступны разные стандартные токи зарядки. Например, для стандартных аккумуляторных батарей 3C обычно выбирается 0,1–0,5 ° C, а для аккумуляторов большой мощности стандартная зарядка обычно составляет 1 ° C. При выборе более низкого зарядного тока также принимается во внимание безопасность аккумулятора. Поэтому обычно говорят о быстрой зарядке, что она в несколько или несколько десятков раз превышает стандартный зарядный ток.

Некоторые говорят, что зарядка литиевого аккумулятора похожа на наливание пива. Он быстрый и полный пива, но в нем много замедленной пены, медленное, но много пива, очень реально. Быстрая зарядка экономит время зарядки, а также приводит к большему повреждению самой батареи.

Из-за явления поляризации в батарее максимальный допустимый зарядный ток уменьшается с увеличением цикла заряда и разряда. Когда зарядка продолжается и зарядный ток велик, концентрация ионов на электроде увеличивается, а поляризация усиливается. Напряжение на клеммах не может быть прямо пропорционально заряженному количеству / энергии. В то же время, зарядка большим током, увеличение внутреннего сопротивления приведет к усилению эффекта джоулева нагрева (Q = I2Rt), вызывая побочные реакции, такие как разложение электролита, образование газа и другие проблемы, фактор риска внезапно увеличивается, что приводит к безопасности батареи. Время автономной работы от ударной батареи неизбежно значительно сократится.

01 Катодный материал

Процесс быстрой зарядки литиевой батареи - это процесс быстрой миграции Li + в отрицательный электрод в материале положительного электрода. Размер частиц материала положительного электрода может влиять на время отклика и путь диффузии ионов в электрохимическом процессе батареи. Исследовано, что с уменьшением размера зерна материала коэффициент диффузии ионов лития увеличивается. Однако по мере уменьшения размера частиц материала во время производства происходит сильная агломерация частиц, что приводит к неравномерному диспергированию, в то время как наночастицы уменьшают плотность уплотнения полюсного наконечника и уменьшают контакт с электролитом во время зарядки и разрядки. Площадь увеличивается из-за побочных реакций, влияющих на работоспособность аккумулятора.

Более надежный метод - изменить покрытие материала положительного электрода. Например, проводимость самого LFP не так хороша. После нанесения на поверхность углеродного материала или других материалов электропроводность может быть улучшена, что способствует повышению производительности быстрой зарядки аккумулятора.

02 Материал анода.

Быстрая зарядка литиевой батареи означает, что ионы лития быстро выходят и «проникают» к отрицательному электроду, в это время материал отрицательного электрода должен иметь возможность быстрой вставки лития, анодные материалы для быстрой зарядки литиевых аккумуляторов включают углеродные материалы, титанат лития. и другие новые материалы.

Для углеродных материалов, поскольку потенциал интеркаляции лития аналогичен потенциалу интеркаляции лития, в случае обычной зарядки ионы лития предпочтительно внедряются в графит, но при быстрой зарядке или низкой температуре ионы лития могут осаждаться на поверхности с образованием дендритов. . . Дендритный литий протыкает SEI, вызывая вторичную потерю Li + и уменьшая емкость батареи. Когда металлический литий достигает определенного количества, он будет расти от отрицательного электрода к сепаратору, что может вызвать короткое замыкание батареи.

Что касается LTO, это кислородсодержащий анодный материал с нулевой деформацией, который не производит SEI, когда батарея работает, и его способность соединяться с ионами лития выше, что может удовлетворить требованиям быстрой зарядки и быстрого высвобождения. В то же время именно из-за невозможности образования SEI материал отрицательного электрода будет напрямую контактировать с электролитом, что способствует возникновению побочных реакций. Проблема газообразования батареи LTO не может быть решена и может быть решена только методом поверхностной модификации.

03 Электродная жидкость

Как упоминалось ранее, во время процесса быстрой зарядки из-за несовместимой скорости миграции ионов лития и скорости переноса электронов батарея будет иметь большую поляризацию. Чтобы свести к минимуму отрицательную реакцию, вызванную поляризацией батареи, следующие три точки будут направлением развития электролита: 1. Соль электролита с высокой степенью диссоциации; 2. Вязкость растворителя ниже; 3. Нижнее сопротивление интерфейса управления-мембраны.

04 Связь между производственным процессом и быстрой зарядкой

В прошлом три ключевых материала, такие как положительные и отрицательные материалы и электродные жидкости, были проанализированы для анализа требований и эффектов быстрой зарядки. Ниже приводится относительно крупный план процесса. Параметры процесса производства батареи напрямую влияют на сопротивление миграции ионов лития в различных частях батареи до и после активации батареи. Следовательно, параметры процесса подготовки батареи имеют важное влияние на характеристики литий-ионной батареи.

(1) Жидкий раствор

Из-за природы суспензии, с одной стороны, необходимо поддерживать однородную дисперсию проводящего агента. Поскольку проводящий агент равномерно распределен между частицами активного материала, между активными материалами и между активным материалом и токосъемником может быть сформирована относительно однородная проводящая сеть, которая выполняет функцию сбора микротоков, снижает контактное сопротивление и может улучшить скорость движения электронов. . Другой аспект заключается в предотвращении чрезмерного рассеивания проводящего агента. Во время процесса зарядки и разрядки кристаллическая структура положительных и отрицательных материалов будет изменяться, что может вызвать отслаивание и отслаивание проводящего агента, что увеличит внутреннее сопротивление батареи и повлияет на характеристики.

(2) Полюсная плотность

Теоретически нельзя комбинировать батарею тарифного типа и батарею большой емкости. Когда поверхностная плотность положительного и отрицательного полюсных наконечников низкая, скорость диффузии ионов лития может быть увеличена, а сопротивление миграции ионов и электронов может быть уменьшено. Чем ниже поверхностная плотность, тем тоньше полюсный наконечник и тем меньше изменение структуры полюсного наконечника из-за непрерывного введения и выброса ионов лития во время заряда и разряда.

Однако, если поверхностная плотность слишком мала, удельная энергия батареи будет снижена, а стоимость возрастет. Поэтому необходимо комплексно учитывать поверхностную плотность. На следующем рисунке показан пример заряда 1С разряд литиево-кобальтовой батареи с зарядкой 6C. Ты можешь видеть:

(3) Консистенция покрытия полюсного наконечника

Друг спрашивал раньше, влияет ли на батарею непостоянная плотность полюсов? Кстати, для быстрой зарядки это в основном согласованность отрицательного полюса. Если плотность отрицательной поверхности непостоянна, существует большая разница во внутренней пористости активного материала после прокатки. Разница в пористости вызывает различие во внутреннем распределении тока, что влияет на формирование и характеристики SEI на этапе формирования батареи и, в конечном итоге, влияет на характеристики быстрой зарядки батареи.

(4) Плотность уплотнения полюсного наконечника

Почему полюсный наконечник уплотнен? Один состоит в увеличении удельной энергии батареи, а другой - в улучшении характеристик батареи. Оптимальная плотность уплотнения различна для разных электродных материалов. Чтобы увеличить плотность уплотнения, чем меньше пористость полюсного наконечника электрода, тем плотнее соединение между частицами и тем меньше толщина полюсного наконечника при той же поверхностной плотности, тем самым уменьшая путь миграции ионов лития.

Когда плотность уплотнения слишком велика, эффект проникновения электролита не является хорошим, и структура материала и распределение проводящего агента могут быть нарушены, и проблема намотки может возникнуть позже. То же самое с литий-кобальтоксидной батареей 6C при зарядке 1C разряда влияние плотности уплотнения на удельную емкость разряда выглядит следующим образом:

Editor1526229028364599.png

05 в старение и другие

Для углеродно-отрицательных аккумуляторов химическое старение является ключевым процессом для литиевых аккумуляторов, и этот процесс влияет на качество SEI. Толщина SEI неоднородна или структурно нестабильна, что влияет на емкость быстрой зарядки и срок службы аккумулятора.

В дополнение к указанным выше важным факторам, системы производства, зарядки и разрядки аккумуляторов будут иметь большее влияние на характеристики литиевых аккумуляторов. По мере увеличения времени использования скорость заряда аккумулятора следует умеренно снизить, иначе поляризация усилится.

Заключение

Суть быстрой зарядки и разрядки литиевых батарей заключается в том, что ионы лития могут быстро деинтеркалировать между положительными и отрицательными материалами. Свойства материала аккумулятора, технологический процесс, а также системы зарядки и разрядки - все это влияет на характеристики сильноточной зарядки. Структурная стабильность положительных и отрицательных материалов способствует разрушению структуры во время быстрого делитирования, и ионы лития быстрее диффундируют в материале, чтобы выдерживать сильноточный заряд. Поскольку скорость миграции ионов и скорость переноса электронов не совпадают, поляризация возникает во время зарядки и разрядки, и поляризация должна быть минимизирована, чтобы предотвратить осаждение металлического лития и повлиять на емкость.

Страница содержит содержимое машинного перевода.