Jaké jsou požadavky na kvalitní lithium-iontové baterie? Obecně řečeno, dlouhá životnost, vysoká hustota energie a spolehlivý bezpečnostní výkon jsou předpoklady pro měření vysoce kvalitní lithium-iontové baterie. Lithium-iontové baterie se v současné době používají ve všech aspektech každodenního života, ale výrobce nebo značka se liší. Existují určité rozdíly v životnosti a bezpečnosti lithium-iontových baterií, které úzce souvisejí s normami výrobního procesu a výrobními materiály; následující podmínky musí být podmínkami pro vysoce kvalitní lithium-iontové;

1. Dlouhá životnost

Životnost sekundární baterie zahrnuje dva ukazatele: životnost cyklu a životnost kalendáře. Životnost cyklu znamená, že poté, co baterie zažije počet cyklů slíbených výrobcem, je zbývající kapacita stále větší nebo rovna 80 %. Kalendářní životnost znamená, že zbývající kapacita nesmí být nižší než 80 % během časového období slíbeného výrobcem, bez ohledu na to, zda je využívána nebo ne.

Životnost je jedním z klíčových ukazatelů napájení lithiových baterií. Na jedné straně je velká akce výměny baterie opravdu problematická a uživatelská zkušenost není dobrá; na druhou stranu je život v zásadě otázkou nákladů.

Životnost lithium-iontové baterie znamená, že kapacita baterie se po určité době používání sníží na nominální kapacitu (při pokojové teplotě 25 °C, standardním atmosférickém tlaku a 70 % kapacity baterie vybité při 0.2 °C). a život lze považovat za konec života. V průmyslu se životnost cyklu obecně vypočítává počtem cyklů plně nabitých a vybitých lithium-iontových baterií. V procesu použití dochází uvnitř lithium-iontové baterie k nevratné elektrochemické reakci, která vede ke snížení kapacity, jako je rozklad elektrolytu, deaktivace aktivních materiálů a kolaps kladných a záporných elektrodových struktur. vést ke snížení počtu interkalací a deinterkalací iontů lithia. Počkejte. Experimenty ukazují, že vyšší rychlost vybíjení povede k rychlejšímu útlumu kapacity. Pokud je vybíjecí proud nízký, napětí baterie se bude blížit rovnovážnému napětí, což může uvolnit více energie.

Teoretická životnost ternární lithium-iontové baterie je asi 800 cyklů, což je střední mezi komerčními dobíjecími lithium-iontovými bateriemi. Fosforečnan lithný je asi 2,000 10,000 cyklů, zatímco titaničitan lithný je údajně schopen dosáhnout 500 400 cyklů. V současnosti mainstreamoví výrobci baterií ve specifikacích svých ternárních bateriových článků slibují více než 10násobné nabití a vybití za standardních podmínek. Po sestavení baterií do bateriového bloku jsou však kvůli problémům s konzistencí nejdůležitějšími faktory napětí a vnitřní odpor nemůže být přesně stejný a jeho životnost je asi 90krát. Doporučené okno využití SOC je 1000%~200%. Hluboké nabíjení a vybíjení se nedoporučuje, jinak dojde k nevratnému poškození kladné i záporné struktury baterie. Pokud se vypočítá podle mělkého nabití a mělkého vybití, životnost cyklu bude nejméně XNUMXkrát. Kromě toho, pokud jsou lithium-iontové baterie často vybíjeny v prostředí s vysokou rychlostí a vysokou teplotou, životnost baterie se drasticky zkrátí na méně než XNUMXkrát.

2. Méně údržby, nižší náklady na používání

Samotná baterie má nízkou cenu za kilowatthodinu, což je nejintuitivnější cena. Kromě výše uvedeného závisí pro uživatele, zda jsou náklady skutečně nízké, na „celoživotních nákladech na elektřinu“.

„Náklady na elektřinu po celém životním cyklu“, celkový výkon lithiové baterie se vynásobí počtem cyklů, aby se získalo celkové množství energie, které lze použít během celého životního cyklu baterie, a celková cena baterie. Baterie se vydělí tímto součtem, aby se získala cena za kilowatt elektřiny v celém životním cyklu.

Cena baterie, o které obvykle mluvíme, např. 1,500 50 juanů/kWh, vychází pouze z celkové energie nového bateriového článku. Ve skutečnosti jsou náklady na elektřinu na jednotku života přímým přínosem pro koncového zákazníka. Nejintuitivnějším výsledkem je, že pokud si koupíte dva akumulátory se stejným výkonem za stejnou cenu, jeden dosáhne konce životnosti po 100 nabitích a vybitích a druhý lze znovu použít po XNUMX nabitích a vybitích. Tyto dvě baterie lze vidět na první pohled, což je levnější.

Řečeno na rovinu, má dlouhou životnost, odolnost a snižuje náklady.

Kromě výše uvedených dvou nákladů je třeba vzít v úvahu také náklady na údržbu baterie. Jednoduše zvažte počáteční náklady, vyberte problémovou buňku, pozdější náklady na údržbu a mzdové náklady jsou příliš vysoké. Pokud jde o údržbu samotného bateriového článku, je důležité odkázat na ruční vyvažování. Vestavěná funkce vyrovnání BMS je omezena velikostí vlastního konstrukčního vyrovnávacího proudu a nemusí být schopna dosáhnout ideální rovnováhy mezi články. S přibývajícím časem se objeví problém nadměrného tlakového rozdílu v akumulátoru. V takových situacích je třeba provést ruční vyrovnání a články baterie s příliš nízkým napětím se nabíjejí samostatně. Čím nižší je frekvence této situace, tím nižší jsou náklady na údržbu.

3. Vysoká hustota energie/vysoká hustota výkonu

Hustota energie se týká energie obsažené v jednotkové hmotnosti nebo jednotkovém objemu; elektrická energie uvolněná průměrným jednotkovým objemem nebo hmotností baterie. Obecně platí, že ve stejném objemu je hustota energie lithium-iontových baterií 2.5krát větší než u nikl-kadmiových baterií a 1.8krát větší než u nikl-vodíkových baterií. Proto, když je kapacita baterie stejná, lithium-iontové baterie budou lepší než nikl-kadmiové a nikl-vodíkové baterie. Menší rozměry a nižší hmotnost.

Hustota energie baterie = kapacita baterie × vybíjecí platforma / tloušťka baterie / šířka baterie / délka baterie.

Hustota výkonu se vztahuje k hodnotě maximálního vybíjecího výkonu na jednotku hmotnosti nebo objemu. V omezeném prostoru silničních vozidel lze celkovou energii a celkový výkon účinně zlepšit pouze zvýšením hustoty. Současné státní dotace navíc používají hustotu energie a hustotu výkonu jako práh pro měření úrovně dotací, což význam hustoty dále posiluje.

Mezi hustotou energie a bezpečností však existuje určitý rozpor. S rostoucí hustotou energie bude bezpečnost vždy čelit novým a obtížnějším výzvám.

4. Vysoké napětí

Protože se grafitové elektrody v zásadě používají jako materiály anody, je napětí lithium-iontových baterií určováno především materiálovými charakteristikami materiálů katody. Horní mez napětí fosforečnanu lithného je 3.6 V a maximální napětí ternárních lithiových a lithium manganátových baterií je asi 4.2 V (další část vysvětlí Proč nemůže maximální napětí Li-ion baterie překročit 4.2 V ). Vývoj vysokonapěťových baterií je technickou cestou pro lithium-iontové baterie ke zvýšení hustoty energie. Pro zvýšení výstupního napětí článku je zapotřebí kladný elektrodový materiál s vysokým potenciálem, záporný elektrodový materiál s nízkým potenciálem a elektrolyt se stabilním vysokým napětím.

5. Vysoká energetická účinnost

Coulombova účinnost, také nazývaná účinnost nabíjení, se týká poměru kapacity vybití baterie k nabíjecí kapacitě během stejného cyklu. To znamená procento vybití specifické kapacity k nabití specifické kapacity.

Pro materiál kladné elektrody je to kapacita vkládání lithia/kapacita lithia, to znamená kapacita vybíjení/kapacita nabíjení; pro materiál záporné elektrody je to kapacita odstraňování lithia/kapacita vkládání lithia, to znamená kapacita vybíjení/kapacita nabíjení.

Během procesu nabíjení se elektrická energie přeměňuje na chemickou energii a během procesu vybíjení se chemická energie přeměňuje na elektrickou energii. Existuje určitá účinnost při vstupu a výstupu elektrické energie během dvou procesů přeměny a tato účinnost přímo odráží výkon baterie.

Z pohledu profesionální fyziky se Coulombova účinnost a energetická účinnost liší. Jedním je poměr elektřiny a druhým poměr práce.

Energetická účinnost akumulátoru a Coulombova účinnost, ale z matematického vyjádření mezi nimi existuje vztah napětí. Průměrné napětí nabíjení a vybíjení není stejné, průměrné napětí vybíjení je obecně nižší než průměrné napětí nabíjení

Výkon baterie lze posuzovat podle energetické účinnosti baterie. Ze zachování energie se ztracená elektrická energie přeměňuje především na tepelnou energii. Proto může energetická účinnost analyzovat teplo generované baterií během pracovního procesu a poté lze analyzovat vztah mezi vnitřním odporem a teplem. A je známo, že energetická účinnost dokáže předpovědět zbývající energii baterie a řídit racionální využití baterie.

Protože příkon se často nevyužívá k přeměně aktivního materiálu do nabitého stavu, ale jeho část se spotřebovává (dochází například k nevratným vedlejším reakcím), je tedy Coulombova účinnost často menší než 100 %. Ale pokud jde o současné lithium-iontové baterie, účinnost Coulomb může v zásadě dosáhnout 99.9% a více.

Ovlivňující faktory: rozklad elektrolytu, pasivace rozhraní, změny ve struktuře, morfologii a vodivosti elektrodových aktivních materiálů sníží Coulombovu účinnost.

Kromě toho stojí za zmínku, že rozpad baterie má malý vliv na účinnost Coulomb a má málo společného s teplotou.

Proudová hustota odráží velikost procházejícího proudu na jednotku plochy. S rostoucí proudovou hustotou se zvyšuje proud procházející zásobníkem, snižuje se napěťová účinnost kvůli vnitřnímu odporu a Coulombova účinnost klesá kvůli polarizaci koncentrace a dalším důvodům. V konečném důsledku to povede ke snížení energetické účinnosti.

6. Dobrý výkon při vysokých teplotách

Lithium-iontové baterie mají dobrý výkon při vysokých teplotách, což znamená, že jádro baterie je v prostředí s vyšší teplotou a kladné a záporné materiály baterie, separátory a elektrolyt mohou také udržovat dobrou stabilitu, mohou normálně fungovat při vysokých teplotách a život se nezrychlí. Vysoká teplota není snadné způsobit tepelné úniky.

Teplota lithium-iontové baterie ukazuje tepelný stav baterie a její podstata je výsledkem tvorby tepla a přenosu tepla lithium-iontové baterie. Studium tepelných charakteristik lithium-iontových baterií a jejich charakteristik tvorby tepla a přenosu tepla za různých podmínek nám může pomoci uvědomit si důležitý způsob exotermických chemických reakcí uvnitř lithium-iontových baterií.

Nebezpečné chování lithium-iontových baterií, včetně přebití a nadměrného vybití baterie, rychlého nabíjení a vybití, zkratu, podmínek mechanického zneužití a tepelného šoku při vysoké teplotě, může snadno spustit nebezpečné vedlejší reakce uvnitř baterie a generovat teplo, přímo zničit záporné a kladné elektrody Pasivační film na povrchu.

Když teplota článku stoupne na 130 °C, SEI film na povrchu negativní elektrody se rozloží, což způsobí, že vysoce aktivní lithiová uhlíková negativní elektroda je vystavena elektrolytu, který podstoupí násilnou oxidačně-redukční reakci, a teplo, které dojde k přepnutí baterie do vysoce rizikového stavu.

Když vnitřní teplota baterie stoupne nad 200 °C, pasivační film na povrchu kladné elektrody rozloží kladnou elektrodu za vzniku kyslíku a pokračuje v prudké reakci s elektrolytem za vzniku velkého množství tepla a vytvoření vysokého vnitřního tlaku. . Když teplota baterie přesáhne 240 °C, je doprovázena prudkou exotermickou reakcí mezi lithiovou uhlíkovou negativní elektrodou a pojivem.

Teplotní problém lithium-iontových baterií má velký dopad na bezpečnost lithium-iontových baterií. Samotné prostředí použití má určitou teplotu a při používání se objeví i teplota lithium-iontové baterie. Důležité je, že teplota bude mít větší vliv na chemickou reakci uvnitř lithium-iontové baterie. Příliš vysoká teplota může dokonce poškodit životnost lithium-iontové baterie a ve vážných případech může způsobit bezpečnostní problémy lithium-iontové baterie.

7. Dobrý výkon při nízkých teplotách

Lithium-iontové baterie mají dobrý výkon při nízkých teplotách, což znamená, že při nízkých teplotách si lithiové ionty a elektrodové materiály uvnitř baterie stále udržují vysokou aktivitu, vysokou zbytkovou kapacitu, sníženou degradaci vybíjecí kapacity a velkou povolenou rychlost nabíjení.

Jak teplota klesá, zbývající kapacita lithium-iontové baterie se zrychluje. Čím nižší je teplota, tím rychleji klesá kapacita. Nucené nabíjení při nízkých teplotách je extrémně škodlivé a je velmi snadné způsobit tepelné úniky. Při nízkých teplotách aktivita iontů lithia a aktivních materiálů elektrod klesá a rychlost, jakou jsou ionty lithia vkládány do materiálu záporné elektrody, je výrazně snížena. Když je externí napájecí zdroj nabit výkonem překračujícím povolený výkon baterie, velké množství iontů lithia se hromadí kolem záporné elektrody a ionty lithia zabudované v elektrodě jsou příliš pozdě na to, aby získaly elektrony a pak se přímo ukládaly na elektrodě. povrchu elektrody, aby se vytvořily elementární krystaly lithia. Dendrit roste, proniká přímo membránou a proráží kladnou elektrodu. Způsobuje zkrat mezi kladnou a zápornou elektrodou, což zase vede k tepelnému úniku.

Kromě výrazného zhoršení vybíjecí kapacity nelze lithium-iontové baterie nabíjet při nízkých teplotách. Během nízkoteplotního nabíjení interkalace iontů lithia na grafitové elektrodě baterie a reakce pokovování lithiem koexistují a vzájemně si konkurují. Za nízkých teplot je difúze lithných iontů v grafitu inhibována a vodivost elektrolytu klesá, což vede ke snížení rychlosti interkalace a zvyšuje pravděpodobnost, že na povrchu grafitu dojde k reakci lithiového pokovování. Hlavními důvody snížení životnosti lithium-iontových baterií při použití za nízkých teplot je zvýšení vnitřní impedance a degradace kapacity v důsledku srážení iontů lithia.

8. Dobré zabezpečení

Bezpečnost lithium-iontových baterií zahrnuje nejen stabilitu vnitřních materiálů, ale také účinnost pomocných bezpečnostních opatření baterií. Bezpečnost vnitřních materiálů se týká kladných a záporných materiálů, membrány a elektrolytu, které mají dobrou tepelnou stabilitu, dobrou kompatibilitu mezi elektrolytem a materiálem elektrody a dobrou retardaci hoření samotného elektrolytu. Bezpečnostní pomocná opatření se týkají konstrukce bezpečnostního ventilu článku, konstrukce pojistky, konstrukce odporu citlivého na teplotu a vhodná citlivost. Po selhání jednoho článku může zabránit šíření poruchy a sloužit k izolaci.

9. Dobrá konzistence

Prostřednictvím „sudového efektu“ chápeme důležitost konzistence baterie. Konzistence se týká bateriových článků použitých ve stejném bateriovém bloku, kapacita, napětí naprázdno, vnitřní odpor, samovybíjení a další parametry jsou extrémně malé a výkon je podobný. Pokud není konzistence bateriového článku s jeho vlastním vynikajícím výkonem dobrá, jeho převaha se často vyrovná po vytvoření skupiny. Studie ukázaly, že kapacita baterie po seskupení je určena článkem s nejmenší kapacitou a životnost baterie je kratší než životnost nejkratšího článku.