Facteurs influant sur la capacité de charge rapide des batteries lithium-ion
Chaque batterie au lithium a une valeur de courant de charge optimale sous différents paramètres d'état et paramètres environnementaux. Ensuite, du point de vue de la structure de la batterie, quels sont les facteurs qui affectent cette valeur de charge optimale.
Le processus microscopique de chargement
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.
La structure de la batterie, qu'elle soit électrochimique ou physique, qui affecte le transfert de charge tout au long du fonctionnement ionique et électronique aura un impact sur les performances de charge rapide.
Charge rapide, exigences pour chaque partie de la batterie
Pour les batteries, si vous souhaitez améliorer les performances énergétiques, vous devez travailler dur sur tous les aspects de la batterie dans son ensemble, y compris les électrodes positives, les électrodes négatives, les électrolytes, les diaphragmes et la conception structurelle.
électrode positive
En fait, presque tous les types de matériaux cathodiques peuvent être utilisés pour fabriquer des batteries à charge-rapide. Les principales performances à garantir sont la conductance (réduire la résistance interne), la diffusion (garantir la cinétique de réaction), la durée de vie (pas besoin d'expliquer), la sécurité (pas besoin d'explication), les performances de traitement appropriées (la surface spécifique ne doit pas être trop grand pour réduire les réactions secondaires et assurer la sécurité).
Bien sûr, les problèmes à résoudre pour chaque matériau spécifique peuvent être différents, mais nos matériaux de cathode communs peuvent répondre à ces exigences grâce à une série d'optimisations, mais différents matériaux sont également différents :
A. Le phosphate de fer au lithium peut se concentrer davantage sur la résolution des problèmes de conductivité électrique et de basse température. Le revêtement de carbone, la nano-isation modérée (notez que c'est modéré, ce n'est certainement pas la simple logique selon laquelle plus fin est meilleur) et la formation de conducteurs ioniques à la surface des particules sont les stratégies les plus typiques.
B. La conductivité électrique du matériau ternaire lui-même est relativement bonne, mais sa réactivité est trop élevée, de sorte que le matériau ternaire est rarement de taille nano-(nano-chimique n'est pas un antidote pour l'amélioration de performances des matériaux, notamment dans le domaine des batteries (il y a parfois beaucoup d'effets indésirables), et plus d'attention est portée à la sécurité et à l'inhibition des réactions secondaires (avec l'électrolyte), après tout, l'un des points clés des matériaux ternaires actuels est la sécurité, et les récents accidents fréquents liés à la sécurité des batteries sont également à cet égard. mettre en avant des exigences plus élevées.
C. Le manganate de lithium accorde plus d'attention à la vie. À l'heure actuelle, il existe sur le marché de nombreuses batteries à charge rapide-de la série lithium-manganate.
électrode négative
Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée, le lithium migre vers l'électrode négative. Le potentiel élevé apporté par le courant élevé de charge rapide rendra le potentiel d'électrode négative plus négatif. À ce moment, la pression de l'électrode négative pour accepter rapidement le lithium augmentera et la tendance à générer des dendrites de lithium augmentera. Par conséquent, l'électrode négative ne doit pas seulement répondre aux exigences de diffusion du lithium lors d'une charge rapide. Par conséquent, la principale difficulté technique des cellules à charge rapide est en fait l'insertion d'ions lithium dans l'électrode négative.
A. À l'heure actuelle, le matériau d'électrode négative dominant sur le marché est toujours le graphite (représentant environ 90 % de la part de marché). Il n'y a pas d'autre raison fondamentale - bon marché, et les performances de traitement complètes et la densité d'énergie du graphite sont relativement bonnes, et les lacunes sont relativement peu nombreuses. . Bien entendu, l'électrode négative en graphite pose également des problèmes. Sa surface est sensible à l'électrolyte, et la réaction d'intercalation du lithium a une forte directivité. Par conséquent, il est principalement nécessaire d'effectuer un traitement de surface du graphite pour améliorer sa stabilité structurelle et favoriser la diffusion des ions lithium sur le substrat. direction.
B. Les matériaux en carbone dur et en carbone mou se sont également beaucoup développés ces dernières années : les matériaux en carbone dur ont un potentiel élevé d'intercalation du lithium, et il y a des micropores dans le matériau, donc la cinétique de réaction est bonne ; tandis que les matériaux en carbone doux ont une bonne compatibilité avec les électrolytes, le matériau MCMB est également très représentatif, mais l'efficacité des matériaux en carbone dur et mou est généralement faible et le coût est élevé (et il n'est pas très prometteur d'un point de vue industriel d'être aussi bon marché que le graphite), donc la consommation de courant est bien inférieure à celle du graphite, et il est plus utilisé dans certains spéciaux sur la batterie.
C. Qu'en est-il du titanate de lithium ? Pour le dire simplement: les avantages du titanate de lithium sont une densité de puissance et une sécurité élevées, et les inconvénients sont également évidents, la densité d'énergie est très faible et le coût calculé par Wh est très élevé. Par conséquent, le point de vue de la batterie au titanate de lithium est une technologie utile avec des avantages dans certaines occasions, mais elle ne convient pas à de nombreuses occasions avec des exigences élevées en matière de coût et d'autonomie.
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.
diaphragme
Pour les batteries de puissance, le fonctionnement à courant élevé fournit des exigences plus élevées pour leur sécurité et leur durée de vie. La technologie de revêtement séparateur est incontournable. Les séparateurs à revêtement céramique-sont rapidement repoussés en raison de leur grande sécurité et de leur capacité à consommer des impuretés dans l'électrolyte, en particulier pour l'amélioration de la sécurité des batteries ternaires.
Le principal système actuellement utilisé pour les diaphragmes en céramique consiste à revêtir la surface des diaphragmes traditionnels avec des particules d'alumine. Une approche relativement nouvelle consiste à revêtir des fibres électrolytiques solides sur le diaphragme. De tels diaphragmes ont une résistance interne plus faible et un meilleur support mécanique du diaphragme. Excellent, et il a moins tendance à obstruer les pores du diaphragme pendant le service.
Le diaphragme revêtu a une bonne stabilité. Même si la température est relativement élevée, il n'est pas facile de rétrécir et de se déformer pour provoquer un court-circuit. Jiangsu Qingtao Energy Company, qui est techniquement soutenue par le groupe de recherche de l'académicien Nan Cewen, École des matériaux, Université Tsinghua, a des produits représentatifs à cet égard. Travailler.
Électrolyte
L'électrolyte a une grande influence sur les performances des batteries lithium-à charge rapide-. Pour assurer la stabilité et la sécurité de la batterie en cas de charge rapide et de courant élevé, l'électrolyte doit répondre aux caractéristiques suivantes : A) il ne peut pas être décomposé, B) la conductivité doit être élevée et C) il est inerte au positif et au négatif matériaux, et ne peut pas réagir ou se dissoudre.
Si ces exigences doivent être satisfaites, la clé est d'utiliser des additifs et des électrolytes fonctionnels. Par exemple, la sécurité des batteries rechargeables rapides ternaires en est grandement affectée, et divers additifs pour la résistance aux hautes températures, ignifuges et anti-surcharge doivent y être ajoutés, afin d'améliorer dans une certaine mesure sa sécurité . Le problème -de longue date des batteries au titanate de lithium, la flatulence à haute température, doit également être résolu par un électrolyte fonctionnel à haute température.
conception de la structure de la batterie
Une stratégie d'optimisation typique est l'enroulement VS empilé. Les électrodes de la batterie empilée sont équivalentes à une relation parallèle, et le type d'enroulement est équivalent à une connexion en série. Par conséquent, la résistance interne du premier est beaucoup plus petite et convient mieux au type d'alimentation. occasion.
De plus, vous pouvez également travailler dur sur le nombre d'onglets pour résoudre les problèmes de résistance interne et de dissipation thermique. En outre, l'utilisation de matériaux d'électrode à haute-conductivité, l'utilisation d'agents plus conducteurs et le revêtement d'électrodes plus fines sont également des stratégies possibles.
En conclusion, les facteurs qui affectent le mouvement de charge à l'intérieur de la batterie et le taux de trous d'électrode intercalés affecteront la capacité de charge rapide des batteries au lithium.
L'avenir de la technologie de charge rapide
Que la technologie de recharge rapide des véhicules électriques soit une direction historique ou un feu de paille, en fait, les avis divergent et aucune conclusion. En tant que solution alternative à l'anxiété d'autonomie, elle est envisagée sur une plate-forme avec densité d'énergie de la batterie et coût global du véhicule.
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.
La question de savoir si la technologie de charge rapide peut être promue à grande échelle, qui se développe plus rapidement en termes de densité d'énergie et de technologie de charge rapide, et laquelle des deux technologies réduit les coûts, peut jouer un rôle décisif dans son avenir.
