ما هي متطلبات بطاريات الليثيوم أيون عالية الجودة؟ بشكل عام ، يعد العمر الطويل وكثافة الطاقة العالية وأداء السلامة الموثوق من المتطلبات الأساسية لقياس بطارية ليثيوم أيون عالية الجودة. تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون حاليًا في جميع جوانب الحياة اليومية ، لكن الشركة المصنعة أو العلامة التجارية مختلفة. هناك بعض الاختلافات في عمر الخدمة وأداء السلامة لبطاريات الليثيوم أيون ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمعايير عملية الإنتاج ومواد الإنتاج ؛ يجب أن تكون الشروط التالية هي الشروط اللازمة للحصول على أيونات الليثيوم عالية الجودة ؛

1. الخدمة الطويلة في الحياة

يشتمل عمر البطارية الثانوية على مؤشرين: دورة الحياة وعمر التقويم. تعني دورة الحياة أنه بعد مرور البطارية بعدد الدورات التي وعدت بها الشركة المصنعة ، تظل السعة المتبقية أكبر من أو تساوي 80٪. العمر التقويمي يعني أن السعة المتبقية يجب ألا تقل عن 80٪ خلال الفترة الزمنية التي وعدت بها الشركة المصنعة ، بغض النظر عما إذا تم استخدامها أم لا.

الحياة هي أحد المؤشرات الرئيسية لبطاريات الليثيوم. من ناحية أخرى ، يعد الإجراء الكبير لاستبدال البطارية أمرًا مزعجًا حقًا وتجربة المستخدم ليست جيدة ؛ من ناحية أخرى ، في الأساس ، تعتبر الحياة قضية تكلفة.

يعني عمر بطارية ليثيوم أيون أن سعة البطارية تتحلل إلى السعة الاسمية (عند درجة حرارة الغرفة 25 درجة مئوية ، والضغط الجوي القياسي ، و 70٪ من سعة البطارية التي يتم تفريغها عند 0.2 درجة مئوية) بعد فترة من الاستخدام ويمكن اعتبار الحياة نهاية الحياة. في الصناعة ، تُحسب دورة الحياة عمومًا بعدد دورات بطاريات الليثيوم أيون المشحونة بالكامل والمفرغة. أثناء عملية الاستخدام ، يحدث تفاعل كهروكيميائي لا رجعة فيه داخل بطارية الليثيوم أيون ، مما يؤدي إلى انخفاض في السعة ، مثل تحلل الإلكتروليت ، وإلغاء تنشيط المواد الفعالة ، وانهيار هياكل الأقطاب الموجبة والسالبة. يؤدي إلى انخفاض في عدد إقحام أيونات الليثيوم وإزالة التداخل. انتظر. تظهر التجارب أن ارتفاع معدل التفريغ سيؤدي إلى توهين أسرع للقدرة. إذا كان تيار التفريغ منخفضًا ، فسيكون جهد البطارية قريبًا من جهد التوازن ، والذي يمكن أن يطلق المزيد من الطاقة.

يبلغ العمر النظري لبطارية الليثيوم أيون الثلاثية حوالي 800 دورة ، وهو متوسط ​​بين بطاريات الليثيوم أيون التجارية القابلة لإعادة الشحن. يبلغ معدل فوسفات الحديد الليثيوم حوالي 2,000 دورة ، بينما يقال إن تيتانات الليثيوم قادرة على الوصول إلى 10,000 دورة. في الوقت الحاضر ، يعد مصنعو البطاريات السائدون بأكثر من 500 مرة (الشحن والتفريغ في ظل الظروف القياسية) في مواصفات خلايا البطاريات الثلاثية. ومع ذلك ، بعد تجميع البطاريات في حزمة بطارية ، نظرًا لقضايا الاتساق ، فإن أهم العوامل هي الجهد والداخلية. لا يمكن أن تكون المقاومة متماثلة تمامًا ، وتبلغ دورة حياتها حوالي 400 مرة. نافذة استخدام SOC الموصى بها هي 10٪ ~ 90٪. لا يُنصح بالشحن والتفريغ العميقين ، وإلا فسوف يتسبب ذلك في تلف لا رجعة فيه للبنية الإيجابية والسلبية للبطارية. إذا تم حسابها عن طريق الشحن الضحل والتفريغ الضحل ، فستكون دورة الحياة 1000 مرة على الأقل. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم تفريغ بطاريات الليثيوم أيون بشكل متكرر في بيئات ذات معدل عالٍ ودرجة حرارة عالية ، فسيتم تقليل عمر البطارية بشكل كبير إلى أقل من 200 مرة.

2. صيانة أقل ، تكلفة استخدام أقل

البطارية نفسها لها سعر منخفض للكيلوواط / ساعة ، وهي أكثر تكلفة بديهية. بالإضافة إلى ما سبق ذكره ، بالنسبة للمستخدمين ، يعتمد ما إذا كانت التكلفة منخفضة حقًا على “تكلفة دورة الحياة الكاملة للكهرباء”.

“تكلفة دورة الحياة الكاملة للكهرباء” ، يتم ضرب إجمالي الطاقة لبطارية الليثيوم بالطاقة في عدد الدورات للحصول على إجمالي كمية الطاقة التي يمكن استخدامها في دورة الحياة الكاملة للبطارية ، والسعر الإجمالي للبطارية يتم تقسيم حزمة البطارية على هذا المبلغ للحصول على سعر الكيلووات من الكهرباء في دورة الحياة الكاملة.

سعر البطارية الذي نتحدث عنه عادة ، مثل 1,500 يوان / كيلوواط ساعة ، يعتمد فقط على الطاقة الإجمالية لخلية البطارية الجديدة. في الواقع ، فإن تكلفة الكهرباء لكل وحدة من وحدات الحياة هي الفائدة المباشرة للعميل النهائي. النتيجة الأكثر بديهية هي أنه إذا اشتريت رزمتين من البطاريات بنفس الطاقة بنفس السعر ، فستصل إحداهما إلى نهاية العمر الافتراضي بعد 50 مرة من الشحن والتفريغ ، ويمكن إعادة استخدام الأخرى بعد 100 مرة من الشحن والتفريغ. يمكن رؤية مجموعتي البطاريات هذه في لمحة وهي أرخص.

بعبارة صريحة ، إنها حياة طويلة ومتينة وتقلل من التكاليف.

بالإضافة إلى التكاليف المذكورة أعلاه ، يجب أيضًا مراعاة تكلفة صيانة البطارية. ببساطة ضع في اعتبارك التكلفة الأولية ، وحدد خلية المشكلة ، وتكلفة الصيانة اللاحقة وتكلفة العمالة مرتفعة للغاية. فيما يتعلق بصيانة خلية البطارية نفسها ، من المهم الرجوع إلى الموازنة اليدوية. وظيفة المعادلة المضمنة في BMS محدودة بحجم تيار موازنة التصميم الخاص بها ، وقد لا تكون قادرة على تحقيق التوازن المثالي بين الخلايا. مع مرور الوقت ، ستحدث مشكلة اختلاف الضغط المفرط في حزمة البطارية. في مثل هذه الحالات ، يجب إجراء معادلة يدوية ، ويتم شحن خلايا البطارية ذات الجهد المنخفض جدًا بشكل منفصل. كلما قل تواتر هذا الموقف ، انخفضت تكلفة الصيانة.

3. كثافة طاقة عالية / كثافة طاقة عالية

تشير كثافة الطاقة إلى الطاقة الموجودة في وحدة وزن أو حجم وحدة ؛ الطاقة الكهربائية المنبعثة من متوسط ​​حجم الوحدة أو كتلة البطارية. بشكل عام ، في نفس الحجم ، تكون كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون 2.5 مرة من بطاريات النيكل والكادميوم و 1.8 مرة من بطاريات النيكل والهيدروجين. لذلك ، عندما تكون سعة البطارية متساوية ، ستكون بطاريات الليثيوم أيون أفضل من بطاريات النيكل والكادميوم والنيكل والهيدروجين. أصغر حجمًا وأخف وزنًا.

كثافة طاقة البطارية = سعة البطارية × منصة التفريغ / سمك البطارية / عرض البطارية / طول البطارية.

تشير كثافة الطاقة إلى قيمة أقصى قدرة تفريغ لكل وحدة وزن أو حجم. في المساحة المحدودة لمركبات الطرق ، فقط من خلال زيادة الكثافة يمكن تحسين الطاقة الإجمالية والقوة الكلية بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم الإعانات الحكومية الحالية كثافة الطاقة وكثافة الطاقة كعتبة لقياس مستوى الدعم ، مما يعزز أهمية الكثافة.

ومع ذلك ، هناك تناقض معين بين كثافة الطاقة والسلامة. مع زيادة كثافة الطاقة ، ستواجه السلامة دائمًا تحديات جديدة وأكثر صعوبة.

4. الجهد العالي

نظرًا لاستخدام أقطاب الجرافيت بشكل أساسي كمواد أنود ، يتم تحديد جهد بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي من خلال الخصائص المادية لمواد الكاثود. الحد الأعلى لجهد فوسفات حديد الليثيوم هو 3.6 فولت ، والجهد الأقصى لبطاريات الليثيوم ومنغنات الليثيوم الثلاثية حوالي 4.2 فولت (سيشرح الجزء التالي لماذا لا يتجاوز الجهد الأقصى لبطارية ليثيوم أيون 4.2 فولت ). يعد تطوير بطاريات الجهد العالي طريقًا تقنيًا لبطاريات الليثيوم أيون لزيادة كثافة الطاقة. لزيادة جهد الخرج للخلية ، يلزم وجود مادة قطب موجبة ذات إمكانات عالية ، ومادة قطب سالبة ذات جهد منخفض وإلكتروليت بجهد مرتفع ثابت.

5. كفاءة عالية في استخدام الطاقة

تشير كفاءة كولوم ، التي تسمى أيضًا كفاءة الشحن ، إلى نسبة سعة تفريغ البطارية إلى سعة الشحن خلال نفس الدورة. أي النسبة المئوية للقدرة المحددة على التفريغ لشحن سعة محددة.

بالنسبة لمادة القطب الموجب ، فهي قدرة إدخال الليثيوم / سعة الديليتيوم ، أي قدرة التفريغ / سعة الشحن ؛ بالنسبة لمادة القطب السالب ، فهي قدرة إزالة الليثيوم / قدرة إدخال الليثيوم ، أي قدرة التفريغ / سعة الشحن.

During the charging process, electrical energy is converted into chemical energy, and during the discharging process, chemical energy is converted into electrical energy. There is a certain efficiency in the input and output of electrical energy during the two conversion processes, and this efficiency directly reflects the performance of the battery.

From the perspective of professional physics, Coulomb efficiency and energy efficiency are different. One is the ratio of electricity and the other is the ratio of work.

كفاءة الطاقة لبطارية التخزين وكفاءة كولوم ، ولكن من التعبير الرياضي ، هناك علاقة جهد بين الاثنين. متوسط ​​جهد الشحن والتفريغ غير متساوٍ ، ومتوسط ​​جهد التفريغ عمومًا أقل من متوسط ​​جهد الشحن

يمكن الحكم على أداء البطارية من خلال كفاءة طاقة البطارية. من الحفاظ على الطاقة ، يتم تحويل الطاقة الكهربائية المفقودة بشكل أساسي إلى طاقة حرارية. لذلك ، يمكن لكفاءة الطاقة تحليل الحرارة الناتجة عن البطارية أثناء عملية التشغيل ، ومن ثم يمكن تحليل العلاقة بين المقاومة الداخلية والحرارة. ومن المعروف أن كفاءة الطاقة يمكنها التنبؤ بالطاقة المتبقية للبطارية وإدارة الاستخدام الرشيد للبطارية.

نظرًا لأن طاقة الإدخال لا تُستخدم غالبًا لتحويل المادة النشطة إلى حالة مشحونة ، ولكن يتم استهلاك جزء منها (على سبيل المثال ، تحدث تفاعلات جانبية لا رجعة فيها) ، لذلك غالبًا ما تكون كفاءة Coulomb أقل من 100٪. ولكن فيما يتعلق ببطاريات الليثيوم أيون الحالية ، يمكن أن تصل كفاءة كولوم بشكل أساسي إلى 99.9٪ وما فوق.

العوامل المؤثرة: تحلل الإلكتروليت ، تخميل الواجهة ، التغيرات في الهيكل ، التشكل ، وموصلية المواد النشطة للإلكترود ستقلل من كفاءة كولوم.

بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن تسوس البطارية له تأثير ضئيل على كفاءة كولوم ولا علاقة له بدرجة الحرارة.

تعكس الكثافة الحالية حجم التيار المار لكل وحدة مساحة. مع زيادة كثافة التيار ، يزداد التيار الذي يمر عبر المكدس ، وتنخفض كفاءة الجهد بسبب المقاومة الداخلية ، وتنخفض كفاءة Coulomb بسبب استقطاب التركيز وأسباب أخرى. يؤدي في النهاية إلى انخفاض كفاءة الطاقة.

6. أداء جيد في درجات الحرارة العالية

تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بأداء جيد في درجات الحرارة العالية ، مما يعني أن جوهر البطارية في بيئة درجة حرارة أعلى ، ويمكن أيضًا أن تحافظ المواد الإيجابية والسلبية للبطارية والفواصل والإلكتروليت على استقرار جيد ، ويمكن أن تعمل بشكل طبيعي في درجات حرارة عالية ، و الحياة لن تتسارع. ليس من السهل أن تتسبب درجة الحرارة المرتفعة في وقوع حوادث هروب حراري.

توضح درجة حرارة بطارية الليثيوم أيون الحالة الحرارية للبطارية ، وجوهرها هو نتيجة توليد الحرارة ونقل الحرارة لبطارية الليثيوم أيون. إن دراسة الخصائص الحرارية لبطاريات الليثيوم أيون ، وتوليد الحرارة وخصائص نقل الحرارة في ظل ظروف مختلفة ، يمكن أن تجعلنا ندرك الطريقة المهمة للتفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة داخل بطاريات الليثيوم أيون.

يمكن أن تؤدي السلوكيات غير الآمنة لبطاريات الليثيوم أيون ، بما في ذلك الشحن الزائد للبطارية والإفراط في الشحن ، والشحن والتفريغ السريع ، والدائرة القصيرة ، وظروف الإساءة الميكانيكية ، والصدمة الحرارية عالية الحرارة ، إلى حدوث تفاعلات جانبية خطيرة داخل البطارية وتوليد الحرارة ، مما يؤدي بشكل مباشر إلى تدمير السلبيات و فيلم التخميل الكهربائي الموجب على السطح.

عندما ترتفع درجة حرارة الخلية إلى 130 درجة مئوية ، يتحلل فيلم SEI الموجود على سطح القطب السالب ، مما يتسبب في تعرض القطب السالب للكربون الليثيوم عالي النشاط للإلكتروليت للخضوع لتفاعل الأكسدة العنيف ، والحرارة التي يحدث يجعل البطارية تدخل في حالة عالية الخطورة.

عندما ترتفع درجة الحرارة الداخلية للبطارية عن 200 درجة مئوية ، يقوم فيلم التخميل الموجود على سطح القطب الموجب بتفكيك القطب الموجب لتوليد الأكسجين ، ويستمر في التفاعل بعنف مع الإلكتروليت لتوليد كمية كبيرة من الحرارة وتشكيل ضغط داخلي مرتفع . عندما تصل درجة حرارة البطارية إلى أعلى من 240 درجة مئوية ، يكون مصحوبًا بتفاعل طارد للحرارة عنيف بين قطب الليثيوم السالب الكربوني والموثق.

مشكلة درجة حرارة بطاريات الليثيوم أيون لها تأثير كبير على سلامة بطاريات الليثيوم أيون. بيئة الاستخدام نفسها لها درجة حرارة معينة ، وستظهر أيضًا درجة حرارة بطارية الليثيوم أيون عند استخدامها. الشيء المهم هو أن درجة الحرارة سيكون لها تأثير أكبر على التفاعل الكيميائي داخل بطارية الليثيوم أيون. يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة جدًا إلى إتلاف عمر خدمة بطارية الليثيوم أيون ، وفي الحالات الشديدة ، ستؤدي إلى مشاكل أمان لبطارية الليثيوم أيون.

7. أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة

تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بأداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة ، مما يعني أنه في درجات الحرارة المنخفضة ، لا تزال أيونات الليثيوم ومواد الإلكترود داخل البطارية تحافظ على نشاط عالٍ ، وقدرة متبقية عالية ، وتدهور منخفض لسعة التفريغ ، ومعدل شحن كبير مسموح به.

مع انخفاض درجة الحرارة ، تتحلل السعة المتبقية لبطارية الليثيوم أيون إلى وضع متسارع. كلما انخفضت درجة الحرارة ، زادت سرعة اضمحلال السعة. يعتبر الشحن القسري في درجات حرارة منخفضة ضارًا للغاية ، ومن السهل جدًا التسبب في حوادث الانفلات الحراري. في درجات الحرارة المنخفضة ، ينخفض ​​نشاط أيونات الليثيوم والمواد النشطة للإلكترود ، وينخفض ​​بشدة معدل إدخال أيونات الليثيوم في مادة القطب السالب. عندما يتم شحن مصدر الطاقة الخارجي بطاقة تتجاوز الطاقة المسموح بها للبطارية ، تتراكم كمية كبيرة من أيونات الليثيوم حول القطب السالب ، وتكون أيونات الليثيوم المضمنة في القطب متأخرة جدًا للحصول على الإلكترونات ثم ترسب مباشرة على القطب سطح القطب لتشكيل بلورات عنصر الليثيوم. ينمو التغصن ، ويخترق الحجاب الحاجز مباشرة ، ويخترق القطب الموجب. يتسبب في حدوث ماس كهربائي بين الأقطاب الموجبة والسالبة ، مما يؤدي بدوره إلى هروب حراري.

بالإضافة إلى التدهور الشديد في قدرة التفريغ ، لا يمكن شحن بطاريات الليثيوم أيون في درجات حرارة منخفضة. أثناء الشحن بدرجة حرارة منخفضة ، يتعايش إقحام أيونات الليثيوم على قطب الجرافيت للبطارية وتفاعل طلاء الليثيوم ويتنافسان مع بعضهما البعض. في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة ، يتم منع انتشار أيونات الليثيوم في الجرافيت ، وتقل موصلية الإلكتروليت ، مما يؤدي إلى انخفاض معدل الإقحام ويجعل تفاعل طلاء الليثيوم أكثر احتمالا لحدوث سطح الجرافيت. الأسباب الرئيسية لانخفاض عمر بطاريات الليثيوم أيون عند استخدامها في درجات حرارة منخفضة هي الزيادة في المعاوقة الداخلية وتدهور السعة بسبب ترسيب أيونات الليثيوم.

8. الأمن الجيد

لا تشمل سلامة بطاريات الليثيوم أيون ثبات المواد الداخلية فحسب ، بل تشمل أيضًا فعالية التدابير الإضافية لسلامة البطارية. تشير سلامة المواد الداخلية إلى المواد الإيجابية والسلبية ، والحجاب الحاجز والكهارل ، والتي تتمتع باستقرار حراري جيد ، وتوافق جيد بين المنحل بالكهرباء ومادة القطب ، ومثبط جيد للهب للكهارل نفسه. تشير تدابير الأمان المساعدة إلى تصميم صمام الأمان للخلية ، وتصميم المصهر ، وتصميم المقاومة الحساس لدرجة الحرارة ، والحساسية المناسبة. بعد فشل خلية واحدة ، يمكن أن تمنع الخطأ من الانتشار وتخدم غرض العزلة.

9. الاتساق الجيد

من خلال “تأثير البرميل” ، نفهم أهمية اتساق البطارية. يشير الاتساق إلى خلايا البطارية المستخدمة في نفس حزمة البطارية ، السعة ، جهد الدائرة المفتوحة ، المقاومة الداخلية ، التفريغ الذاتي والمعلمات الأخرى صغيرة للغاية ، والأداء مشابه. إذا لم يكن اتساق خلية البطارية مع أدائها الممتاز جيدًا ، فغالبًا ما يتم تخفيف تفوقها بعد تشكيل المجموعة. أظهرت الدراسات أن سعة حزمة البطارية بعد التجميع يتم تحديدها من خلال أصغر خلية سعة ، وأن عمر حزمة البطارية أقل من عمر الخلية الأقصر.