Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sạc nhanh của pin lithium - ion
Mỗi pin lithium có giá trị dòng sạc tối ưu trong các thông số trạng thái và thông số môi trường khác nhau. Sau đó, từ quan điểm của cấu trúc pin, các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị sạc tối ưu này là gì.
Quá trình vi mô của quá trình sạc
Lithium batteries are known as "rocking chair" batteries, in which charged ions move between positive and negative electrodes to transfer charges to power external circuits or charge from an external power source. In the specific charging process, the external voltage is applied to the two poles of the battery, and the lithium ions are deintercalated from the positive electrode material and enter the electrolyte. At the same time, excess electrons are generated through the positive electrode current collector and move to the negative electrode through the external circuit; lithium ions are in the electrolyte. It moves from the positive electrode to the negative electrode, and passes through the separator to the negative electrode; the SEI film passing through the surface of the negative electrode is embedded in the graphite layered structure of the negative electrode and combines with electrons.
Cấu trúc của pin, cho dù là điện hóa hay vật lý, ảnh hưởng đến việc truyền điện tích trong quá trình hoạt động ion và điện tử sẽ có tác động đến hiệu suất sạc nhanh.
Sạc nhanh, yêu cầu đối với từng phần của pin
Đối với pin, nếu bạn muốn cải thiện hiệu suất năng lượng, bạn cần phải làm việc chăm chỉ về tất cả các khía cạnh của pin nói chung, bao gồm điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân, màng ngăn và thiết kế cấu trúc.
điện cực dương
Trên thực tế, hầu hết tất cả các loại vật liệu catốt đều có thể được sử dụng để chế tạo - pin sạc nhanh. Các hiệu suất chính cần được đảm bảo bao gồm độ dẫn (giảm nội trở), khuếch tán (đảm bảo động học phản ứng), tuổi thọ (không cần giải thích), an toàn (không cần giải thích), hiệu suất xử lý thích hợp (diện tích bề mặt cụ thể không được quá lớn để giảm phản ứng phụ và phục vụ an toàn).
Tất nhiên, các vấn đề cần giải quyết đối với từng vật liệu cụ thể có thể khác nhau, nhưng vật liệu catốt chung của chúng tôi có thể đáp ứng các yêu cầu này thông qua một loạt các tối ưu hóa, nhưng các vật liệu khác nhau cũng khác nhau:
A. Lithi sắt photphat có thể tập trung nhiều hơn vào việc giải quyết các vấn đề về độ dẫn điện và nhiệt độ thấp. Lớp phủ carbon, sự ion hóa - nano vừa phải (lưu ý rằng nó vừa phải, chắc chắn không phải là logic đơn giản của càng mịn càng tốt) và sự hình thành các chất dẫn ion trên bề mặt của các hạt là những chiến lược điển hình nhất.
B. Tính dẫn điện của bản thân vật liệu bậc ba tương đối tốt, nhưng độ phản ứng của nó quá cao, vì vậy vật liệu bậc ba hiếm khi có kích thước - nano (hóa chất nano - không phải là thuốc giải độc để cải thiện hiệu suất vật liệu, đặc biệt là trong lĩnh vực pin. Đôi khi có rất nhiều tác dụng phụ), và xét cho cùng, việc chú ý nhiều hơn đến sự an toàn và ức chế các phản ứng phụ (với chất điện phân), một trong những điểm chính của vật liệu bậc ba hiện nay là an toàn, và các tai nạn an toàn pin thường xuyên gần đây cũng liên quan đến vấn đề này. đưa ra những yêu cầu cao hơn.
C. Lithi manganate quan tâm nhiều hơn đến cuộc sống. Hiện tại, có nhiều loại pin sạc nhanh dòng lithium manganate - trên thị trường.
điện cực âm
Khi pin ion lithium - được sạc, lithium sẽ di chuyển sang điện cực âm. Điện thế cao do dòng điện sạc nhanh mang lại sẽ khiến thế điện cực âm càng âm hơn. Lúc này, áp suất của điện cực âm để nhanh chóng chấp nhận lithium sẽ tăng lên, và xu hướng tạo ra các đuôi gai lithium sẽ tăng lên. Do đó, điện cực âm không chỉ phải đáp ứng các yêu cầu khuếch tán lithium trong quá trình sạc nhanh Do đó, khó khăn kỹ thuật chính của các tế bào sạc nhanh thực sự là việc chèn các ion lithium vào điện cực âm.
A. Hiện tại, vật liệu làm điện cực âm chiếm ưu thế trên thị trường vẫn là than chì (chiếm khoảng 90% thị phần). Không có lý do cơ bản nào khác - rẻ, và hiệu suất xử lý toàn diện và mật độ năng lượng của graphite là tương đối tốt và các thiếu sót là tương đối ít. . Tất nhiên, điện cực âm than chì cũng có vấn đề. Bề mặt của nó nhạy cảm với chất điện ly, và phản ứng xen phủ của liti có tính định hướng mạnh mẽ. Do đó, chủ yếu cần thực hiện xử lý bề mặt graphit để cải thiện tính ổn định cấu trúc của nó và thúc đẩy sự khuếch tán của các ion liti trên bề mặt. phương hướng.
B. Vật liệu cacbon cứng và cacbon mềm cũng phát triển nhiều trong những năm gần đây: vật liệu cacbon cứng có thế xen liti cao, trong vật liệu có các vi hạt nên phản ứng động học tốt; trong khi vật liệu carbon mềm có khả năng tương thích tốt với chất điện phân, MCMB Vật liệu này cũng rất tiêu biểu, nhưng hiệu quả của vật liệu carbon mềm và cứng nói chung là thấp và chi phí cao (và theo quan điểm công nghiệp thì không mấy hy vọng. rẻ như graphite), do đó mức tiêu thụ hiện tại ít hơn nhiều so với graphite và nó được sử dụng nhiều hơn trong một số đặc biệt trên pin.
C. Làm thế nào về liti titanat? Nói một cách đơn giản: ưu điểm của liti titanate là mật độ năng lượng cao và an toàn, và nhược điểm cũng rõ ràng là mật độ năng lượng rất thấp và chi phí tính theo Wh rất cao. Do đó, quan điểm cho rằng pin lithium titanate là một công nghệ hữu ích, có ưu điểm trong một số trường hợp nhất định, nhưng nó không phù hợp với nhiều trường hợp có yêu cầu cao về chi phí và phạm vi bay.
D. Silicon anode material is an important development direction. Panasonic's new 18650 battery has begun the commercial process of such materials. However, how to achieve a balance between the performance pursued by nanotechnology and the general micron-scale requirements of the battery industry for materials is still a challenging task.
màng ngăn
Đối với pin nguồn, hoạt động hiện tại cao cung cấp các yêu cầu cao hơn về an toàn và tuổi thọ của chúng. Công nghệ phủ lớp phân cách là không thể tránh khỏi. Các dải phân cách phủ gốm - đang nhanh chóng bị đẩy đi vì tính an toàn cao và khả năng tiêu thụ tạp chất trong chất điện phân, đặc biệt là để cải thiện độ an toàn của pin bậc ba.
Hệ thống chính hiện nay được sử dụng cho màng ngăn gốm là phủ lên bề mặt của màng ngăn truyền thống bằng các hạt alumin. Một cách tiếp cận tương đối mới là phủ các sợi điện phân rắn lên màng ngăn. Các màng chắn như vậy có điện trở bên trong thấp hơn và hỗ trợ cơ học tốt hơn cho màng chắn. Tuyệt vời, và nó có xu hướng ít gây tắc nghẽn lỗ chân lông của màng ngăn trong quá trình sử dụng.
Màng tráng có độ ổn định tốt. Dù ở nhiệt độ tương đối cao cũng không dễ bị co ngót, biến dạng gây đoản mạch. Công ty Năng lượng Jiangsu Qingtao, được hỗ trợ về mặt kỹ thuật bởi nhóm nghiên cứu của Viện sĩ Nan Cewen, Trường Vật liệu, Đại học Thanh Hoa, có một số sản phẩm tiêu biểu trong lĩnh vực này. Công việc.
Chất điện giải
Chất điện phân có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin ion - sạc nhanh -. Để đảm bảo tính ổn định và an toàn của pin khi sạc nhanh và dòng điện cao, chất điện phân phải đáp ứng các đặc điểm sau: A) không thể bị phân hủy, B) độ dẫn điện phải cao, và C) trơ về cực âm và dương. vật liệu, và không thể phản ứng hoặc hòa tan.
Nếu các yêu cầu này được đáp ứng, điều quan trọng là sử dụng các chất phụ gia và chất điện phân chức năng. Ví dụ: độ an toàn của pin sạc nhanh bậc ba bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nó và các chất phụ gia khác nhau để chịu nhiệt độ cao, chống cháy và chống - sạc quá mức phải được thêm vào nó, để cải thiện độ an toàn của nó ở một mức độ nhất định . Vấn đề tồn tại - lâu dài của pin lithium titanate, đầy hơi ở nhiệt độ cao, cũng phải được cải thiện bằng chất điện phân chức năng ở nhiệt độ cao.
thiết kế cấu trúc pin
Một chiến lược tối ưu hóa điển hình là cuộn VS xếp chồng lên nhau. Các điện cực của pin xếp chồng lên nhau tương đương với mối quan hệ song song và kiểu cuộn dây tương đương với kiểu kết nối nối tiếp. Do đó, điện trở bên trong của trước đây nhỏ hơn nhiều, và nó phù hợp hơn với loại công suất. dịp.
Ngoài ra, bạn cũng có thể chăm chỉ vào số tab để giải quyết các vấn đề về điện trở bên trong và tản nhiệt. Ngoài ra, sử dụng vật liệu điện cực có độ dẫn điện - cao, sử dụng nhiều chất dẫn điện hơn và phủ các điện cực mỏng hơn cũng là các chiến lược khả thi.
Kết luận, các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động điện tích bên trong pin và tỷ lệ các lỗ điện cực xen kẽ sẽ ảnh hưởng đến khả năng sạc nhanh của pin lithium.
Tương lai của công nghệ sạc nhanh
Liệu công nghệ sạc nhanh của xe điện có phải là hướng đi lịch sử hay chớp nhoáng trong chảo, trên thực tế vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau và chưa đưa ra kết luận. Là một giải pháp thay thế cho sự lo lắng về phạm vi, nó được xem xét trên một nền tảng có mật độ năng lượng pin và chi phí tổng thể của xe.
Energy density and fast charging performance, in the same battery, can be said to be incompatible in two directions, and cannot have both. The pursuit of battery energy density is currently the mainstream. When the energy density is high enough, a car has enough power to avoid the so-called "mileage anxiety", and the demand for battery rate charging performance will be reduced; at the same time, if the power is large, if the battery cost per kWh is not low enough, then whether it can be used Ding Kemao's purchase of electricity that is "not anxious" requires consumers to make a choice. Thinking about it this way, fast charging has the value of existence. Another angle is the cost of fast charging facilities, which is of course part of the cost of promoting electrification in the whole society.
Liệu công nghệ sạc nhanh có thể được quảng bá trên quy mô lớn hay không, ai phát triển nhanh hơn về mật độ năng lượng và công nghệ sạc nhanh và công nghệ nào trong hai công nghệ làm giảm chi phí, có thể đóng vai trò quyết định trong tương lai của nó.
