Какие факторы ограничивают скорость заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов?

Скорость заряда-разряда литий-ионной батареи определяет, насколько быстро мы можем сохранить определенное количество энергии в батарее или как быстро энергия внутри батареи высвобождается. Конечно, этот процесс хранения и выпуска является управляемым и безопасным, без значительного влияния на время автономной работы и другие показатели производительности.

Индикаторы увеличения особенно важны, когда аккумуляторные батареи используются в качестве электроинструментов, особенно для энергетических транспортных средств. Представьте, что вы ведете электромобиль, чтобы что-то сделать, на полпути обнаруживаете, что нет электричества, находите зарядную станцию для зарядки, зарядка в течение часа не полная, по оценкам, все, что нужно сделать, откладывается. Или ваш электромобиль поднимается по крутому склону. Как бы вы ни нажимали на дроссельную заслонку (электрическую дверь), машина едет медленно, как черепаха, поэтому вы не можете дождаться этого.

Очевидно, что эти сцены - вещи, которые мы не хотим видеть, но они показывают текущее состояние литий-ионных батарей. Зарядка занимает много времени и разряд не должен быть слишком сильным. В противном случае аккумулятор скоро стареет и может даже возникнуть проблема с безопасностью. Но во многих приложениях нам всем требуется, чтобы аккумулятор имел высокую скорость заряда и разряда, поэтому мы снова застряли в «аккумуляторе». Чтобы добиться лучшего развития литий-ионных батарей, необходимо выяснить, какие факторы ограничивают быстродействие батареи.

Скорость заряда-разряда литий-ионных аккумуляторов напрямую связана с миграционной способностью ионов лития между положительным и отрицательным электродами, электролитом и границей раздела между ними. Все факторы, влияющие на скорость миграции ионов лития (эти факторы влияния также могут быть эквивалентны батареям). Внутреннее сопротивление) влияет на характеристики заряда и разряда литий-ионного аккумулятора. Кроме того, внутреннее тепловыделение батареи также является важным фактором, влияющим на производительность. Если скорость рассеивания тепла низкая, тепло, накопленное во время зарядки и разрядки с большой скоростью, не может быть передано, что серьезно повлияет на безопасность и срок службы литий-ионной батареи. Таким образом, исследования и улучшение характеристик скорости заряда-разряда литий-ионных батарей в основном связаны с аспектами улучшения скорости миграции ионов лития и скорости рассеивания тепла внутри батареи.

1. Повышение способности к диффузии ионов лития положительных и отрицательных электродов.

Скорость, с которой ионы лития деинтеркалируются и внедряются в положительный / отрицательный активный материал, то есть скорость, с которой ионы лития выходят из положительного / отрицательного активного материала или от положительной / отрицательной поверхности внутрь активного материала. материал, чтобы найти положение для «оседания». Какова скорость, что является важным фактором, влияющим на скорость заряда и разряда.

Например, в мире ежегодно проводится много марафонов. Хотя все стартуют одновременно, ширина дороги ограничена, но задействовано много людей (иногда до десятков тысяч), что приводит к скоплению людей и телу участников. Качество неравномерное, и команда со временем превратится в очень долгую битву. Кто-то быстро дошел до конца, кто-то опоздал на несколько часов, кто-то упал в обморок, а на полпути перестали есть.

Диффузия и движение ионов лития в положительных / отрицательных полюсах в основном такие же, как и во время марафона. Они бегают медленнее и быстрее, а длина выбранных ими дорог варьируется, что серьезно ограничивает конец игры (все бегают по ней). Итак, мы не хотим бежать марафон, но лучше, чтобы все пробегали 100 метров. Расстояние достаточно короткое. Каждый может быстро добраться до конца. Кроме того, взлетно-посадочная полоса должна быть достаточно широкой, не теснить друг друга, а дороги не должны быть перекрученными и перекрученными. Прямая линия лучше всего снижает сложность игры. Таким образом, судья громко позвонил, и тысячи лошадей и лошадей устремились к концу. Игра закончилась быстро, а результативность была отличной.

Что касается материала положительного электрода, мы хотим, чтобы полюсный наконечник был достаточно тонким, то есть толщина активного материала была небольшой, что эквивалентно сокращению расстояния пробега, поэтому желательно увеличить плотность уплотнения положительного электрода. материала как можно больше. Внутри активного материала должно быть достаточно зазора между отверстиями, чтобы оставить проход для ионов лития. При этом распределение этих «взлетно-посадочных полос» должно быть равномерным. Какие-то места должны быть, а какие-то нет. Это сделано для оптимизации структуры материала положительного электрода. Измените расстояние и структуру между частицами, чтобы добиться равномерного распределения. Два приведенных выше пункта на самом деле противоречат друг другу, увеличивая плотность уплотнения. Хотя толщина меньше, зазор между частицами станет меньше, и взлетно-посадочная полоса будет казаться переполненной. И наоборот, поддержание определенного зазора между частицами не способствует уменьшению толщины материала. Поэтому вам нужно найти точку баланса, чтобы достичь наилучшей скорости миграции ионов лития.

Кроме того, материалы положительного электрода из различных материалов оказывают значительное влияние на коэффициент диффузии ионов лития. Следовательно, выбор материала положительного электрода с относительно высоким коэффициентом диффузии ионов лития также является важным направлением для улучшения скоростных характеристик.

Идея обработки анодного материала аналогична таковой для катодного материала, и она в основном начинается со структуры, размера и толщины материала, уменьшает разницу концентраций ионов лития в материале анода и улучшает диффузионную способность лития. ионы в материале анода. Взяв в качестве примера анодные материалы на основе углерода, в последние годы исследования наноуглеродных материалов (нанотрубки, нанопроволоки, наносферы и т. Д.) Могут значительно улучшить удельную поверхность, внутреннюю структуру и диффузионный канал анодных материалов путем замены анодных материалов. традиционная слоистая структура анода, что значительно улучшает характеристики множителя анодных материалов.

2. Улучшите ионную проводимость электролита.

Ионы лития играют в положительных / отрицательных материалах, а игра в электролите - в плавании.

В соревнованиях по плаванию, как снизить сопротивление воды (электролита), является ключом к повышению скорости. В последние годы, пловцы , как правило , носили акулы костюмы, которые могут значительно снизить сопротивление образования воды на поверхности человеческого тела, тем самым улучшая производительность спортсменов и становится очень спорной темой.

Ионы лития должны перемещаться между положительным и отрицательным электродами. Так же, как плавание в «бассейне», состоящем из электролита и батарейного отсека, ионная проводимость электролита такая же, как сопротивление воды. На скорость плавания для ионов лития очень большое влияние. В настоящее время органический электролит, используемый в литий-ионных батареях, будь то жидкий электролит или твердый электролит, имеет низкую ионную проводимость. Сопротивление электролита становится важной частью общего сопротивления батареи, и нельзя игнорировать влияние на высокоскоростные характеристики литий-ионной батареи.

Помимо увеличения ионной проводимости электролита, важно также сосредоточиться на химической и термической стабильности электролита. При зарядке и разрядке с большой скоростью электрохимическое окно батареи сильно различается. Если химическая стабильность электролита невысока, он легко окисляется и разлагается на поверхности материала положительного электрода, что влияет на ионную проводимость электролита. Термическая стабильность электролита имеет большое влияние на безопасность и срок службы литий-ионной батареи, потому что электролит будет выделять много газа, когда он разлагается под действием тепла, что представляет скрытую опасность для безопасности батареи на с одной стороны, и немного газа на поверхности отрицательного электрода с другой стороны. Мембрана SEI производит разрушительный эффект, который влияет на ее рабочие характеристики.

Следовательно, выбор электролита с высокой литий-ионной проводимостью, хорошей химической стабильностью и термической стабильностью, а также согласование с материалом электрода является важным направлением для повышения быстродействия литий-ионного аккумулятора.

3. Уменьшите внутреннее сопротивление аккумулятора.

Это включает в себя интерфейс между несколькими различными веществами и веществами, значения сопротивления, которые они формируют, но все они влияют на ионную / электронную проводимость.

Обычно проводящий агент добавляется внутрь активного материала положительного электрода, тем самым уменьшая контактное сопротивление между активными материалами, активным материалом и подложкой положительного электрода / токосъемником, улучшая электрическую проводимость (ионную и электронную проводимость) материал положительного электрода и повышение производительности. Проводящие агенты различной формы и из разных материалов будут влиять на внутреннее сопротивление батареи, что повлияет на ее скоростные характеристики.

Токосъемник (полярное ушко) положительного и отрицательного электродов является носителем для передачи электрической энергии между литиево-ионной батареей и внешней стороной, а значение сопротивления токосъемника также имеет большое влияние на быстродействие батареи. Следовательно, изменяя материал, размер, метод извлечения, процесс подключения и т. Д. Токосъемника, можно повысить быстродействие и срок службы литий-ионной батареи.

Степень инфильтрации электролита положительными и отрицательными материалами влияет на контактное сопротивление на границе раздела между электролитом и электродом, тем самым влияя на быстродействие батареи. Общее количество электролита, вязкость, содержание примесей, поры положительных и отрицательных материалов и т. Д. Изменят контактное сопротивление между электролитом и электродом, что является важным направлением исследований для улучшения характеристик скорости.

Во время первого цикла литий-ионной батареи, когда ионы лития внедряются в отрицательный электрод, на отрицательном электроде образуется пленка из твердого электролита (SEI). Хотя пленка SEI имеет хорошую ионную проводимость, она все же диффундирует ионы лития. Есть определенная помеха, особенно при большой зарядке и разрядке. По мере увеличения количества циклов пленка SEI будет непрерывно спадать, отслаиваться и осаждаться на поверхности отрицательного электрода, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления отрицательного электрода, что становится фактором, влияющим на характеристики скорости цикла. . Следовательно, управление изменением пленки SEI может также улучшить характеристики скорости во время длительного цикла литий-ионной батареи.

Кроме того, скорость абсорбции жидкости и пористость сепаратора также имеют большое влияние на прохождение ионов лития, а также в некоторой степени влияют на быстродействие (относительно небольшие) литий-ионной батареи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.