Почему литиевые батареи не могут сбалансировать высокую мощность и высокую плотность энергии?

Для чисто электрических транспортных средств с литий-ионными аккумуляторами зарядка по-прежнему является большой проблемой, поэтому «быстрая зарядка» стала уловкой многих производителей. Я лично считаю, что проблему быстрой зарядки литиевых батарей нужно 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 ионы лития диффундируют в материал катода (оливин с одномерным ионным каналом, слоистый материал с двумерным каналом и материал катода из шпинели с трехмерным каналом) и материал анода с отрицательным графитом (слоистая структура). на несколько порядков ниже константы скорости гетерогенной окислительно-восстановительной реакции в водной вторичной батарее. Более того, ионная проводимость органического электролита на два порядка ниже, чем у водного электролита вторичной батареи (сильная кислота или сильное основание).

Поверхность отрицательного электрода литиевой батареи имеет слой пленки SEI. Фактически, быстродействие литиевой батареи в значительной степени контролируется диффузией ионов лития в пленке SEI. Поскольку поляризация порошкового электрода в органическом электролите намного серьезнее, чем поляризация водной системы, поверхность отрицательного электрода склонна к осаждению лития в высокоскоростных или низкотемпературных условиях, что представляет серьезную угрозу безопасности. Кроме того, в условиях высокоскоростной зарядки кристаллическая решетка материала положительного электрода легко повреждается, и отрицательный графитовый лист также может быть поврежден. Эти факторы ускоряют уменьшение емкости, тем самым серьезно влияя на срок службы аккумуляторной батареи.

Следовательно, основные характеристики встроенной реакции определяют, что литий-ионные аккумуляторы не подходят для высокоскоростной зарядки. Результаты исследования подтвердили, что срок службы отдельного элемента в режимах быстрой зарядки и быстрого высвобождения будет значительно сокращен, а производительность батареи значительно ухудшится при последующем использовании.

Конечно, некоторые читатели могут сказать, что батареи из титаната лития (LTO) нельзя заряжать и разряжать с большой скоростью? Скоростные характеристики титаната лития можно объяснить его кристаллической структурой и коэффициентом диффузии ионов. Однако батарея из титаната лития имеет очень низкую плотность энергии, и ее использование в зависимости от типа мощности достигается за счет снижения плотности энергии, что приводит к высокой стоимости единицы энергии ($ / Втч) батареи титаната лития, а низкая стоимость определяет производительность. титанат лития. Батареи вряд ли станут основным направлением развития литиевых батарей. Фактически, спад продаж аккумуляторов Toshiba SCiB в Японии уже объяснил проблему.

На уровне ячеек можно улучшить характеристики скорости с точки зрения процесса полюсных наконечников и конструкции ячейки. Например, такие меры, как уменьшение толщины электрода или увеличение доли проводящего агента, являются общими техническими средствами. Более того, даже производители применяют экстремальные методы, такие как устранение термисторов в ячейках и увеличение толщины коллектора тока. Фактически, многие отечественные производители аккумуляторов сделали данные своих аккумуляторов LFP с большим увеличением при 30 ° C или даже 50 ° C в качестве технической изюминки.

Я хочу отметить, что это можно понять как метод тестирования, но то, какие изменения произошли внутри ячейки, является ключевым. Длительный высокоскоростной заряд и разряд, возможно, структура положительных и отрицательных материалов была разрушена, отрицательный электрод был осажден литием, эти проблемы требуют использования некоторых средств обнаружения in-situ (таких как СЭМ, XRD, нейтронография и т. Д.) Ясно. К сожалению, отечественные производители аккумуляторов редко сообщают об этих методах обнаружения на месте.

Здесь автор также напоминает читателю обратить внимание на разницу между процессом зарядки и разрядки литиевой батареи. В отличие от процесса зарядки, литиевая батарея разряжается с большей скоростью (внешняя работа), и повреждение батареи не так серьезно, как при быстрой зарядке. Водяная вторичная батарея аналогична. Однако для фактического использования электромобилей потребность в высокоскоростной зарядке (быстрой зарядке), несомненно, более актуальна, чем сильноточная разрядка.

Когда он поднимется до уровня аккумуляторной батареи, ситуация усложняется. Во время процесса зарядки зарядное напряжение и зарядный ток разных отдельных ячеек несовместимы, что неизбежно приводит к тому, что время зарядки аккумуляторной батареи превышает время зарядки одной аккумуляторной батареи. Это означает, что хотя обычная технология зарядки может зарядить одну батарею до половины емкости за 30 минут, аккумулятор определенно превысит это время, а это означает, что преимущество технологии быстрой зарядки не очень очевидно.

Кроме того, во время использования (разряда) литий-ионного аккумулятора потребление емкости и время разряда не являются линейными, а ускоряются со временем. Например, если полный запас хода электромобиля составляет 200 километров, то при обычном пробеге 100 километров аккумуляторная батарея может иметь 80% емкости. Когда емкость аккумулятора составляет 50%, электромобиль может проехать только 50 километров. Эта характеристика литий-ионных аккумуляторов говорит нам о том, что только половина или 80% мощности аккумуляторной батареи не может удовлетворить фактические потребности электромобилей. Например, Tesla продвигает технологию более быстрой зарядки, которая на самом деле более практична, чем автор, и частая быстрая зарядка определенно ухудшит срок службы батареи и производительность и принесет серьезные риски безопасности.

Поскольку литиевая батарея по существу не подходит для быстрой зарядки, теоретически режим переключения мощности может компенсировать ее недостатки быстрой зарядки. Хотя конструкция аккумуляторной батареи съемного типа вызовет проблему прочности конструкции всего автомобиля и технические проблемы с электрической изоляцией, а также супер-проблему стандарта батареи и интерфейса, автор лично считает, что это режим - это решение проблемы быстрой зарядки литиевой батареи. Технический (и только технически) подход более осуществим.

На мой взгляд, «аренда аккумулятора + режим замены энергии» не имеет прецедента в мире, за исключением проблемы привычек потребления (владелец думает, что аккумулятор - это такая же частная собственность автомобиля), Основное препятствие кроется в скрытой технологии. За стандартом стоит огромная проблема распределения выгод. В высокоразвитых западных странах решить эту проблему намного сложнее, чем в Китае. Автор лично считает, что в будущем в области централизованного использования чистых электромобилей, таких как автобусы, такси или автомобили общего пользования в Китае, могут появиться большие возможности для развития.

2.3.2 Высокие энергетические характеристики топливных элементов. По сравнению с проблемой быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей, проблема заполнения топливных элементов водородом намного проще. Почти все FC-EV теперь можно заправить водородом за три минуты. Хотя три минуты больше, чем обычное время заправки, очевидно, что не стоит упоминать о трех минутах по сравнению с 6-часовой общей зарядкой / получасовой быстрой зарядкой Tesla. Однако сравнивать проблему быстрой зарядки литиевых батарей с гидрированием топливных элементов автору неуместно. Поскольку комбинация зарядки электромобилей и электросети проста и возникает проблема гидрогенизации топливных элементов, строительство инфраструктуры намного сложнее, чем строительство зарядной станции.

Когда дело доходит до производительности, я буду обсуждать здесь плотность мощности литиевых батарей и топливных элементов, потому что скорость на самом деле является проблемой мощности. Технически литиевая батарея может использовать некоторые технологические меры (такие как уменьшение толщины электрода или увеличение содержания проводящего агента и т. Д.) Для достижения высокой скорости заряда и разряда, но эти технические меры должны приносить в жертву удельную энергию батареи.

То есть, по сути, литиевый аккумуляторный элемент не может иметь как высокую плотность энергии, так и высокую плотность мощности. Например, производительность ядра ячейки A123 AHR32113 очень хороша, удельная мощность может достигать 2,7 кВт / кг в условиях сверхвысокого режима испытаний 40C, но плотность энергии составляет всего 70 Втч / кг. Например, плотность энергии ячейки в мягком корпусе i-Phone7 достигла 250 Втч / кг, но ее производительность относительно низкая, и ее можно заряжать и разряжать только с низкой скоростью ниже 0,5 ° C.

Но что я хочу здесь подчеркнуть, так это то, что топливные элементы могут легко сочетать высокие энергетические и мощные характеристики, что определяется их уникальным открытым принципом работы. Стек PEMFC - это место, где происходит электрохимия. Его уникальный гетерогенный электрокаталитический процесс реакции обеспечивает высокую плотность тока обмена на поверхности катализатора Pt / C, будь то электрохимическое окисление водорода или электрохимическое восстановление кислорода.

Фактически, текущий стек PEMFC от Toyota и GM, в реальных условиях эксплуатации (одиночный элемент 0,6-0,7 В), плотность тока, как правило, близка к уровню 1 А / см2, что составляет 1С, чем у широко используемой аккумуляторной батареи LFP. в Китае. Плотность тока примерно на два порядка выше.

Система PEMFC Toyota Mirai имеет плотность энергии более 350 Вт / 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 из одной ячейки в соответствии с фильтр-прессом, и его мощность может быть увеличена за счет увеличения количества ячеек (нелинейная зависимость). Плотность энергии PEMFC зависит от емкости хранения водорода в системе хранения водорода, а также может быть улучшена за счет увеличения объема или количества резервуара для хранения водорода.

То есть система PEMFC может иметь как высокую плотность энергии, так и высокую удельную мощность, и эта функция невозможна для любой вторичной батареи. Основная причина - существенная разница между закрытой системой и открытым режимом работы. В то же время характеристики высокой энергии и большой мощности - это как раз самые основные технические требования современных автомобилей к энергетическим системам.

Страница содержит содержимое машинного перевода.