Facteurs influençant 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 charge
Les batteries au lithium sont connues sous le nom de batteries « chaise berçante », dans lesquelles les ions chargés se déplacent entre les électrodes positives et négatives pour transférer des charges vers des circuits externes d’alimentation ou se charger à partir d’une source d’alimentation externe. Dans le processus de charge spécifique, la tension externe est appliquée aux deux pôles de la batterie et les ions lithium sont désintercalés du matériau de l’électrode positive et pénètrent dans l’électrolyte. Dans le même temps, les électrons en excès sont générés par le collecteur de courant à électrode positive et se déplacent vers l’électrode négative par le circuit externe; les ions lithium sont dans l’électrolyte. Il se déplace de l’électrode positive à l’électrode négative et passe à travers le séparateur jusqu’à l’électrode négative; le film SEI traversant la surface de l’électrode négative est incorporé dans la structure en couches de graphite de l’électrode négative et se combine avec les électrons.
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 dans 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 de cathode peuvent être utilisés pour fabriquer des batteries à charge rapide. Les principales performances qui doivent être garanties comprennent la conductance (réduire la résistance interne), la diffusion (garantir la cinétique de réaction), la durée de vie (pas besoin d’explication), la sécurité (pas besoin d’explication), les performances de traitement appropriées (la surface spécifique ne doit pas être trop grande pour réduire les réactions secondaires et servir 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:
R. 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 qu’elle est modérée, certainement pas la logique simple de plus fin est meilleure), 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 nanométrique (la nanochimie n’est pas un antidote pour l’amélioration des performances du matériau, en particulier dans le domaine des batteries. Il y a parfois beaucoup d’effets indésirables), et plus d’attention est accordée à la sécurité et à l’inhibition des réactions secondaires (avec électrolyte), après tout, l’un des points clés des matériaux ternaires actuels est la sécurité, et les récents accidents fréquents de 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 de nombreuses batteries à charge rapide de la série manganate au lithium sur le marché.
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 entraînera le potentiel d’électrode négatif à être plus négatif. À ce stade, 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 pendant la 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.
Un. 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 énergétique du graphite sont relativement bonnes, et les lacunes sont relativement peu nombreuses. . Bien sûr, l’électrode négative graphite a également des problèmes. Sa surface est sensible à l’électrolyte et la réaction d’intercalation du lithium a une forte directionnalité. Par conséquent, il est principalement nécessaire d’effectuer un traitement de surface au graphite pour améliorer sa stabilité structurelle et favoriser la diffusion des ions lithium sur le substrat. direction.
B. Le carbone dur et les matériaux à carbone tendre se sont également beaucoup développés ces dernières années: les matériaux en carbone dur ont un potentiel d’intercalation du lithium élevé, et il y a des micropores dans le matériau, de sorte que la cinétique de réaction est bonne; alors que les matériaux en carbone tendre ont une bonne compatibilité avec les électrolytes, MCMB Le matériau 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 optimiste d’un point de vue industriel d’être aussi bon marché que le graphite), de sorte que la consommation actuelle 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 de croisière.
D. Le matériau d’anode en silicium est une direction de développement importante. La nouvelle batterie 18650 de Panasonic a commencé le processus commercial de ces matériaux. Cependant, comment atteindre un équilibre entre les performances poursuivies par la nanotechnologie et les exigences générales à l’échelle du micron de l’industrie des batteries pour les matériaux reste une tâche difficile.
diaphragme
Pour les batteries d’alimentation, le fonctionnement à courant élevé fournit des exigences plus élevées pour leur sécurité et leur vie. La technologie de revêtement séparateur est incontournable. Les séparateurs revêtus de céramique sont rapidement repoussés en raison de leur grande sécurité et de leur capacité à consommer des impuretés dans l’électrolyte, en particulier pour améliorer la sécurité des batteries ternaires.
Le principal système actuellement utilisé pour les diaphragmes en céramique consiste à recouvrir la surface des diaphragmes traditionnels de particules d’alumine. Une approche relativement nouvelle consiste à recouvrir des fibres d’électrolyte solides sur le diaphragme. Ces diaphragmes ont une résistance interne plus faible et un meilleur support mécanique pour le diaphragme. Excellent, et il a une tendance plus faible à bloquer 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 soutenu par le groupe de recherche de l’académicien Nan Cewen, École des matériaux, Université Tsinghua, a quelques produits représentatifs à cet égard. Travail.
Électrolyte
L’électrolyte a une grande influence sur les performances des batteries lithium-ion à charge rapide. Pour assurer la stabilité et la sécurité de la batterie sous charge rapide et 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 aux matériaux positifs et négatifs, 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 piles ternaires rechargeables rapides en est grandement affectée, et divers additifs pour la résistance aux hautes températures, le retardateur de flamme et l’anti-surcharge doivent y être ajoutés, afin d’améliorer sa sécurité dans une certaine mesure. Le problème de longue date des batteries au titanate de lithium, les flatulences à haute température, doit également être amélioré par un électrolyte fonctionnel à haute température.
conception de la structure de la batterie
Une stratégie d’optimisation typique est l’enroulement empilé VS. 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 de puissance. occasion.
En outre, vous pouvez également travailler dur sur le nombre d’onglets pour résoudre les problèmes de résistance interne et de dissipation de chaleur. En outre, l’utilisation de matériaux d’électrode à haute conductivité, l’utilisation d’agents plus conducteurs et le revêtement d’électrodes plus minces 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 éclair dans la casserole, en fait, il y a des opinions différentes et aucune conclusion. En tant que solution alternative à l’anxiété liée à l’autonomie, il est envisagé sur une plate-forme avec une densité d’énergie de batterie et un coût global du véhicule.
La densité d’énergie et les performances de charge rapide, dans la même batterie, peuvent être considérées comme incompatibles dans deux directions et ne peuvent pas avoir les deux. La poursuite de la densité d’énergie des batteries est actuellement le courant dominant. Lorsque la densité d’énergie est suffisamment élevée, une voiture a suffisamment de puissance pour éviter ce que l’on appelle « l’anxiété du kilométrage », et la demande de performances de charge de la batterie sera réduite; dans le même temps, si la puissance est grande, si le coût de la batterie par kWh n’est pas assez bas, alors si elle peut être utilisée L’achat d’électricité de Ding Kemao qui n’est « pas anxieux » oblige les consommateurs à faire un choix. En y réfléchissant de cette façon, la charge rapide a la valeur de l’existence. Un autre angle est le coût des installations de recharge rapide, qui fait bien sûr partie du coût de la promotion de l’électrification dans l’ensemble de la société.
Si la technologie de charge rapide peut être promue à grande échelle, qui se développe plus rapidement dans la densité d’énergie et la technologie de charge rapide, et laquelle des deux technologies réduit les coûts, peut jouer un rôle décisif dans son avenir.
