Rýchle nabíjanie lítiovej batérie

Požičajte si tento obrázok na ilustráciu procesu nabíjania batérie, úsečka je čas a súradnica je napätie. Na začiatku nabíjania lítiovými batériami bude prebiehať proces predbežného nabíjania malého množstva, to znamená CC predbežné nabíjanie, účelom je stabilizácia pozitívnych a negatívnych materiálov. Potom, keď je stav batérie stabilný, môže sa upraviť na nabíjanie s vysokým prúdom, to znamená CC Fast Charge. Nakoniec zadajte režim nabíjania s konštantným napätím (CV). V prípade lítiových batérií systém spustí režim nabíjania s konštantným napätím po zistení, že napätie dosiahne 4,2 V, nabíjací prúd sa postupne znižuje a nabíjanie končí, keď je hodnota nižšia ako určitá hodnota.

V celom procese majú rôzne batérie odlišné štandardné nabíjacie prúdy. Napríklad štandardná batéria pre výrobky 3C je zvyčajne 0,1 ° C - 0,5 ° C a pre vysoko výkonné batérie je štandardné nabíjanie zvyčajne 1 ° C. Voľba nižšieho nabíjacieho prúdu zohľadňuje aj bezpečnosť batérie. Preto sa obvyklé rýchle nabíjanie vzťahuje na nabíjací prúd, ktorý je niekoľkonásobne až desaťkrát vyšší ako štandardný nabíjací prúd.

Niektorí hovoria, že nabíjanie lítiovej batérie je ako nalievanie piva. Je rýchly a plní sa pivom, ale má veľa peny. Nalievanie je pomalé a pomalé, ale je tu veľa piva, ktoré je veľmi skutočné. Rýchle nabíjanie síce šetrí čas nabíjania, ale tiež spôsobí väčšie poškodenie samotnej batérie. Kvôli polarizačnému javu v batérii sa maximálny nabíjací prúd, ktorý dokáže prijať, zníži so zvýšením cyklu nabíjania a vybíjania. Keď nabíjanie pokračuje a nabíjací prúd je veľký, koncentrácia iónov na elektróde sa zvýši a polarizácia sa zvýši. Koncové napätie nemôže byť priamo lineárne úmerné nabitému výkonu / energii. Zároveň pri nabíjaní veľkým prúdom zvýšenie vnútorného odporu zvýši Jouleov ohrievací efekt (Q=I2Rt) a spôsobí vedľajšie reakcie, ako je napríklad reakčný rozklad elektrolytu, tvorba plynu a celý rad problémov. Rizikový faktor sa náhle zvýši, čo ovplyvní bezpečnosť batérie. Vplyv, životnosť batérií bez napájania, sa nevyhnutne výrazne skráti.

01 Katódový materiál

Proces rýchleho nabíjania lítiových batérií je proces rýchlej migrácie Li + v materiáli pozitívnej elektródy do zápornej elektródy. Veľkosť častíc materiálu s kladnou elektródou môže mať vplyv na čas odozvy batériového elektrochemického procesu, difúznu cestu iónov atď. Podľa výskumov sa zmenšovaním zrnitosti materiálu zvyšuje difúzny koeficient iónov lítia. Keď sa však veľkosť častíc materiálu zmenší, dôjde k vážnej aglomerácii častíc pri výrobe buničiny, čo bude mať za následok nerovnomerné rozptýlenie. Nanočastice zároveň znížia hustotu zhutnenia pólových nástavcov a kontaktujú elektrolyt počas procesu nabíjania a vybíjania. Plocha sa zväčšuje a vedľajšie reakcie ovplyvňujú výkon batérie.

Spoľahlivejšou metódou je potiahnutie a úprava materiálu pozitívnej elektródy. Napríklad vodivosť samotného LFP nie je veľmi dobrá. Keď je povrch pokrytý uhlíkovým materiálom alebo inými materiálmi, môže sa zlepšiť jeho vodivosť, čo je prospešné pre zlepšenie rýchleho nabíjania batérie. výkon.

02 Anódový materiál

Rýchle nabíjanie lítiových batérií znamená, že lítiové ióny sa rýchlo extrahujú a&„plávanie GG“; na zápornú elektródu. V tejto dobe musí mať materiál negatívnej elektródy schopnosť rýchlo vložiť lítium. Medzi anódové materiály používané na rýchle nabíjanie lítiových batérií patria uhlíkové materiály, lítium titaničitan a ďalšie nové materiály.

Pokiaľ ide o uhlíkové materiály, pretože potenciál zavedenia lítia je podobný potenciálu zrážania lítia, v prípade konvenčného nabíjania sa lítne ióny všeobecne prednostne vkladajú do grafitu, ale pri rýchlom nabíjaní alebo pri nízkych teplotách sa môžu lítne ióny vyzrážať na povrchu za vzniku dendritického lítia. Dendrit lítium prerazí SEI, čo spôsobí sekundárnu stratu Li + a zníži kapacitu batérie. Keď kovový lítium dosiahne určité množstvo, bude rásť od zápornej elektródy k separátoru, čo spôsobí riziko skratu v batérii.

Pre LTO je to&"; nulový kmeň GG"; materiál negatívnej elektródy obsahujúci kyslík, ktorý neprodukuje SEI, keď je batéria funkčná, a má silnejšiu väzobnú kapacitu s iónmi lítia, ktoré vyhovujú požiadavkám rýchleho nabitia a rýchleho vybitia. Zároveň je to práve preto, že SEI nemožno vytvoriť, a preto bude materiál negatívnej elektródy priamo v kontakte s elektrolytom, čo podporuje výskyt vedľajších reakcií. Problém s produkciou plynu batérií LTO nie je možné dlho vyriešiť a dá sa zmierniť iba povrchovou úpravou.

03 Roztok elektródy

Ako už bolo spomenuté, kvôli nekonzistencii rýchlosti migrácie lítium-iónov a rýchlosti prenosu elektrónov počas rýchleho nabíjania bude mať batéria väčšiu polarizáciu. Aby sa minimalizovala negatívna reakcia spôsobená polarizáciou batérie, budú smerom výskumu a vývoja elektrolytu nasledujúce tri body: 1. Soľ elektrolytu s vysokým stupňom disociácie; 2. Rekombinácia rozpúšťadla - nižšia viskozita; 3. Impedancia ovládacej membrány rozhrania nižšia.

04 Vzťah medzi výrobnou technológiou a rýchlym nabíjaním

Predtým boli požiadavky a účinky rýchleho nabíjania analyzované z troch kľúčových materiálov, ako sú kladné a záporné elektródové materiály a elektródová kvapalina. Nasleduje návrh procesu, ktorý má pomerne veľký vplyv. Parametre procesu výroby batérie priamo ovplyvňujú migračný odpor lítiových iónov v rôznych častiach batérie pred a po aktivácii batérie, takže parametre procesu výroby batérie majú dôležitý vplyv na výkon lítium-iónovej batérie.

(1) Kaša

Pokiaľ ide o vlastnosti suspenzie, jedným aspektom je zachovanie rovnomernej disperzie vodivého činidla. Pretože je vodivé činidlo rovnomerne rozložené medzi častice aktívneho materiálu, môže byť medzi aktívnymi materiálmi a medzi aktívnym materiálom a zberačom prúdu vytvorená relatívne rovnomerná vodivá sieť, ktorá má funkciu zhromažďovania mikroprúdov, znižovania kontaktného odporu a zvyšovania rýchlosť elektrónov. . Ďalším aspektom je zabrániť nadmernej disperzii vodivého činidla. Počas procesu nabíjania a vybíjania sa mení kryštálová štruktúra pozitívnych a negatívnych materiálov, čo môže spôsobiť odlupovanie vodivého činidla, zvyšovať vnútorný odpor batérie a ovplyvňovať výkon.

(2) Hustota oblasti pólového nástavca

Batérie typu rate a vysokokapacitné batérie teoreticky nemôžu mať oboje. Ak je povrchová hustota kladného a záporného pólového nástavca nízka, je možné zvýšiť rýchlosť difúzie lítiových iónov a znížiť odpor migrácie iónov a elektrónov. Čím nižšia je plošná hustota, tým tenší je pólový nástavec a tým menšia je zmena v štruktúre pólového nástavca spôsobená kontinuálnym vkladaním a extrakciou lítiových iónov počas nabíjania a vybíjania. Ak je však plošná hustota príliš nízka, hustota energie batérie sa zníži a náklady sa zvýšia, takže je potrebné komplexne zohľadniť plošnú hustotu. Nasledujúci obrázok je príkladom nabíjania 6C a 1C vybíjania lítium kobaltnatou batériou, ktoré vidíte:

(3) Konzistencia povlaku pólového nástavca

Kamarát sa pýtal predtým, ovplyvní nekonzistentná povrchová hustota pólov batériu? Mimochodom, pre výkon rýchleho nabíjania je to hlavne konzistencia záporného pólového nástavca. Ak je povrchová hustota zápornej elektródy nekonzistentná, bude po valcovaní vnútorná pórovitosť aktívneho materiálu celkom odlišná. Rozdiel v pórovitosti spôsobí rozdiel vo vnútornom rozložení prúdu, ovplyvní tvorbu a výkon SEI v štádiu tvorby batérie a nakoniec ovplyvní výkonnosť rýchleho nabíjania batérie.

(4) Hustota zhutnenia pólového nástavca

Prečo by mal byť stĺpik zhutnený? Jedným z nich je zvýšenie špecifickej energie batérie a druhým je zlepšenie výkonu batérie. Rôzne elektródové materiály majú rozdielnu optimálnu hustotu zhutnenia. Zvyšovanie hustoty zhutnenia, čím menšia je pórovitosť pólového nástavca elektródy, tým pevnejšie je spojenie medzi časticami a menšia hrúbka pólového nástavca pri rovnakej plošnej hustote, čím sa znižuje migračná cesta iónov lítia. Ak je hustota zhutnenia príliš vysoká, nie je efekt infiltrácie elektrolytov dobrý, čo môže poškodiť štruktúru materiálu a distribúciu vodivého činidla a problémy s navíjaním sa vyskytnú neskôr. Rovnako je to pri výboji 1C lítium-kobaltnatej batérie s výbojom 6C, vplyv hustoty zhutnenia na špecifickú kapacitu výboja je nasledovný:

05 Chemické starnutie a iné

U uhlíkových anódových batérií je starnutie formácie kľúčovým procesom pre lítiové batérie a tento proces ovplyvní kvalitu SEI. Nerovná hrúbka alebo nestabilná štruktúra SEI ovplyvní rýchlu kapacitu nabíjania a životnosť batérie.

Okrem vyššie uvedených niekoľkých dôležitých faktorov bude mať na výkon lítiových batérií väčší vplyv výroba a nabíjanie a vybíjanie článkov. Pretože sa doba používania predlžuje, rýchlosť nabíjania batérie by sa mala mierne znížiť, inak sa zvýši polarizácia.

Záver

Podstata rýchleho nabíjania a vybíjania lítiových batérií spočíva v tom, že lítiové ióny sa dajú rýchlo extrahovať medzi pozitívnym a negatívnym materiálom. Vlastnosti materiálu batérie, dizajn procesu a systém nabíjania a vybíjania budú mať vplyv na výkon nabíjania pri vysokom prúde. Štrukturálna stabilita pozitívnych a negatívnych elektródových materiálov nespôsobí štrukturálny kolaps počas rýchleho procesu odstraňovania lítia a lítiové ióny rýchlejšie difundujú v materiáli, aby odolali vysokému prúdovému nabíjaniu. Kvôli nesúladu medzi rýchlosťou migrácie iónov a rýchlosťou prenosu elektrónov dôjde počas nabíjania a vybíjania k polarizácii. Je potrebné čo najviac znížiť polarizáciu, aby sa zabránilo zrážaniu kovového lítia a znížila sa schopnosť ovplyvňovať život.