Lithium-Ionen-Batterien werden als „Schaukelstuhl-Batterien“ bezeichnet. Geladene Ionen bewegen sich zwischen den positiven und negativen Elektroden, um einen Ladungstransfer zu realisieren und Strom an externe Schaltungen zu liefern oder von einer externen Stromquelle aufzuladen.

Während des spezifischen Ladevorgangs wird die externe Spannung an die beiden Pole der Batterie angelegt und die Lithiumionen werden aus dem positiven Elektrodenmaterial extrahiert und gelangen in den Elektrolyten. Gleichzeitig passieren überschüssige Elektronen den positiven Stromkollektor und bewegen sich über den externen Stromkreis zur negativen Elektrode; die Lithiumionen befinden sich im Elektrolyten. Es bewegt sich von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und passiert das Diaphragma zur negativen Elektrode; der durch die Oberfläche der negativen Elektrode hindurchtretende SEI-Film ist in die Graphitschichtstruktur der negativen Elektrode eingebettet und verbindet sich mit Elektronen.

Während des gesamten Betriebs von Ionen und Elektronen beeinflusst die Batteriestruktur, die den Ladungstransfer beeinflusst, sei es elektrochemisch oder physikalisch, die Schnellladeleistung.

The requirements of fast charging for all parts of the battery

Wenn Sie die Leistung von Batterien verbessern möchten, müssen Sie in allen Aspekten der Batterie hart arbeiten, einschließlich der positiven Elektrode, der negativen Elektrode, des Elektrolyten, des Separators und des strukturellen Designs.

positive Elektrode

Tatsächlich können fast alle Arten von Kathodenmaterialien verwendet werden, um schnellladende Batterien herzustellen. Zu den wichtigen zu gewährleistenden Eigenschaften gehören Leitfähigkeit (Innenwiderstand verringern), Diffusion (Reaktionskinetik sicherstellen), Lebensdauer (nicht erklären) und Sicherheit (nicht erklären), richtige Verarbeitungsleistung (die spezifische Oberfläche sollte nicht zu groß sein) groß, um Nebenreaktionen zu reduzieren und der Sicherheit zu dienen).

Natürlich können die zu lösenden Probleme für jedes spezifische Material unterschiedlich sein, aber unsere gängigen Kathodenmaterialien können diese Anforderungen durch eine Reihe von Optimierungen erfüllen, aber auch unterschiedliche Materialien sind unterschiedlich:

A. Lithium-Eisen-Phosphat kann sich stärker auf die Lösung der Probleme der Leitfähigkeit und der niedrigen Temperatur konzentrieren. Die Durchführung einer Kohlenstoffbeschichtung, eine moderate Nanoisierung (beachten Sie, dass sie moderat ist, es ist definitiv keine einfache Logik, dass je feiner desto besser) und die Bildung von Ionenleitern auf der Oberfläche der Partikel sind die typischsten Strategien.

B. Das ternäre Material selbst hat eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit, aber seine Reaktivität ist zu hoch, so dass ternäre Materialien selten nanoskalige Arbeiten ausführen (Nanoisierung ist kein Allheilmittel gegen die Verbesserung der Materialleistung, insbesondere in der Bereich Batterien In China gibt es manchmal viele Anti-Use-Anwendungen), und es wird mehr Wert auf die Sicherheit und die Unterdrückung von Nebenreaktionen (mit Elektrolyt) gelegt. Schließlich liegt die aktuelle Lebensdauer ternärer Materialien in der Sicherheit, und auch in letzter Zeit sind häufig Unfälle mit Batteriesicherheit aufgetreten. Stellen Sie höhere Anforderungen.

C. Lithiummanganat ist hinsichtlich der Lebensdauer wichtiger. Es gibt auch viele Schnellladebatterien auf Lithium-Manganat-Basis auf dem Markt.

negative Elektrode

Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie wandert Lithium zur negativen Elektrode. Das übermäßig hohe Potential, das durch schnelles Laden und großen Strom verursacht wird, führt dazu, dass das negative Elektrodenpotential negativer wird. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich der Druck der negativen Elektrode, um Lithium schnell aufzunehmen, und die Tendenz zur Bildung von Lithiumdendriten wird zunehmen. Daher muss die negative Elektrode nicht nur die Lithiumdiffusion während des Schnellladens erfüllen. Die kinetischen Anforderungen an die Lithium-Ionen-Batterie müssen auch das Sicherheitsproblem lösen, das durch die erhöhte Neigung von Lithium-Dendriten verursacht wird. Daher ist die wichtige technische Schwierigkeit des Schnellladekerns das Einfügen von Lithiumionen in die negative Elektrode.

A. Das dominierende Material für negative Elektroden auf dem Markt ist derzeit noch Graphit (mit einem Marktanteil von etwa 90%). Der Hauptgrund ist billig, und die umfassende Verarbeitungsleistung und Energiedichte von Graphit sind relativ gut, mit relativ wenigen Mängeln. . Natürlich gibt es auch Probleme mit der negativen Graphitelektrode. Die Oberfläche ist relativ empfindlich gegenüber dem Elektrolyten und die Lithium-Interkalationsreaktion weist eine starke Direktionalität auf. Daher ist es wichtig, hart zu arbeiten, um die strukturelle Stabilität der Graphitoberfläche zu verbessern und die Diffusion von Lithiumionen auf dem Substrat zu fördern. Richtung.

B. Hartkohlenstoff- und Weichkohlenstoff-Materialien haben sich in den letzten Jahren ebenfalls stark entwickelt: Hartkohlenstoff-Materialien haben ein hohes Lithium-Einlagerungspotential und weisen Mikroporen in den Materialien auf, sodass die Reaktionskinetik gut ist; und weiche Kohlenstoffmaterialien haben eine gute Verträglichkeit mit Elektrolyt, MCMB Die Materialien sind ebenfalls sehr repräsentativ, aber harte und weiche Kohlenstoffmaterialien haben im Allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad und sind teuer (und stellen Sie sich vor, Graphit ist genauso billig, ich fürchte, das ist nicht der Fall aus industrieller Sicht hoffnungsvoll), so ist die Stromaufnahme weitaus geringer als bei Graphit und wird in einigen Spezialitäten mehr an der Batterie verwendet.

C. Wie wäre es mit Lithiumtitanat? Kurz gesagt: Die Vorteile von Lithiumtitanat sind hohe Leistungsdichte, Sicherheit und offensichtliche Nachteile. Die Energiedichte ist sehr gering und die Kosten in Wh berechnet hoch. Daher ist die Lithium-Titanat-Batterie eine nützliche Technologie mit Vorteilen bei bestimmten Gelegenheiten, aber sie ist nicht für viele Gelegenheiten geeignet, die hohe Kosten und eine hohe Reichweite erfordern.

D. Siliziumanodenmaterialien sind eine wichtige Entwicklungsrichtung, und die neue Batterie 18650 von Panasonic hat mit der kommerziellen Verarbeitung solcher Materialien begonnen. Es ist jedoch noch eine anspruchsvollere Aufgabe, ein Gleichgewicht zwischen dem Streben nach Nanometerleistung und den allgemeinen Anforderungen im Mikrometerbereich von Materialien für die Batterieindustrie zu erreichen.

Membran

Bei Power-Type-Batterien stellt der Hochstrombetrieb höhere Anforderungen an deren Sicherheit und Lebensdauer. Die Membranbeschichtungstechnik ist nicht zu umgehen. Keramikbeschichtete Diaphragmen werden aufgrund ihrer hohen Sicherheit und der Fähigkeit, Verunreinigungen im Elektrolyten zu verbrauchen, schnell verdrängt. Insbesondere der Effekt der Verbesserung der Sicherheit von ternären Batterien ist von besonderer Bedeutung.

Das wichtigste System, das derzeit für Keramikdiaphragmen verwendet wird, ist die Beschichtung von Aluminiumoxidpartikeln auf der Oberfläche herkömmlicher Diaphragmen. Ein relativ neues Verfahren besteht darin, Festelektrolytfasern auf das Diaphragma zu beschichten. Solche Membranen haben einen geringeren Innenwiderstand und die mechanische Stützwirkung von faserbezogenen Membranen ist besser. Ausgezeichnet, und es neigt weniger dazu, die Membranporen während des Betriebs zu verstopfen.

Nach der Beschichtung weist die Membran eine gute Stabilität auf. Selbst wenn die Temperatur relativ hoch ist, ist es nicht leicht zu schrumpfen und zu verformen und einen Kurzschluss zu verursachen. Jiangsu Qingtao Energy Co., Ltd., unterstützt durch die technische Unterstützung der Forschungsgruppe Nan Cewen der School of Materials and Materials der Tsinghua University, hat in dieser Hinsicht einige Vertreter. Die arbeitende Membran ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Elektrolyt

Der Elektrolyt hat einen großen Einfluss auf die Leistung von schnellladenden Lithium-Ionen-Akkus. Um die Stabilität und Sicherheit der Batterie bei Schnellladung und hohem Strom zu gewährleisten, muss der Elektrolyt folgende Eigenschaften erfüllen: A) kann nicht zersetzt werden, B) hohe Leitfähigkeit und C) ist inert gegenüber positiven und negativen Materialien. Reagieren oder auflösen.

Will man diesen Anforderungen gerecht werden, kommt es auf den Einsatz von Additiven und funktionellen Elektrolyten an. Zum Beispiel wird die Sicherheit von ternären Schnellladebatterien stark davon beeinflusst, und es ist notwendig, ihnen verschiedene Anti-Hochtemperatur-, Flammschutz- und Anti-Überladungs-Additive zuzusetzen, um die Sicherheit bis zu einem gewissen Grad zu verbessern. Auch das alte und schwierige Problem von Lithium-Titanat-Batterien, Hochtemperatur-Blähungen, muss durch Hochtemperatur-Funktionselektrolyt verbessert werden.

Design der Batteriestruktur

Eine typische Optimierungsstrategie ist der gestapelte VS-Wicklungstyp. Die Elektroden der gestapelten Batterie entsprechen einer Parallelschaltung und der Wicklungstyp entspricht einer Reihenschaltung. Daher ist der Innenwiderstand des ersteren viel kleiner und er ist für den Leistungstyp besser geeignet. Gelegenheit.

Darüber hinaus können Anstrengungen hinsichtlich der Anzahl der Laschen unternommen werden, um die Probleme des Innenwiderstands und der Wärmeableitung zu lösen. Darüber hinaus können auch die Verwendung von Elektrodenmaterialien mit hoher Leitfähigkeit, die Verwendung von leitfähigeren Mitteln und das Beschichten dünnerer Elektroden in Betracht gezogen werden.

Kurz gesagt, die Faktoren, die die Ladungsbewegung innerhalb der Batterie und die Einführrate der Elektrodenlöcher beeinflussen, beeinflussen die Schnellladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien.

Übersicht über Schnellladetechnologierouten für Mainstream-Hersteller

Ningde-Ära

In Bezug auf die positive Elektrode hat CATL die „Super Electronic Network“-Technologie entwickelt, die Lithium-Eisen-Phosphat eine ausgezeichnete elektronische Leitfähigkeit verleiht; Auf der Graphitoberfläche der negativen Elektrode wird die „Fast Ion Ring“-Technologie verwendet, um den Graphit zu modifizieren, und der modifizierte Graphit berücksichtigt sowohl die superschnelle Aufladung als auch die hohe Energiedichte der negativen Elektrode hat keine übermäßige Produkte während des Schnellladens, so dass es eine Schnellladekapazität von 4-5C hat, 10-15 Minuten schnelles Laden und Laden ermöglicht und die Energiedichte der Systemebene über 70 Wh/kg sicherstellen kann, wodurch eine Lebensdauer von 10,000 Zyklen erreicht wird.

In Bezug auf das Thermomanagement erkennt sein Thermomanagementsystem vollständig das „gesunde Ladeintervall“ des festen chemischen Systems bei verschiedenen Temperaturen und SOCs, was die Betriebstemperatur von Lithium-Ionen-Batterien erheblich erweitert.

Wasserma

Waterma ist in letzter Zeit nicht so gut, reden wir nur über Technologie. Waterma verwendet Lithiumeisenphosphat mit einer kleineren Partikelgröße. Derzeit hat das gängige Lithium-Eisen-Phosphat auf dem Markt eine Partikelgröße zwischen 300 und 600 nm, während Waterma nur 100 bis 300 nm Lithium-Eisen-Phosphat verwendet geladen und entladen. Verstärken Sie bei anderen Systemen als Batterien das Design von Wärmemanagementsystemen und die Systemsicherheit.

Mikroenergie

In den Anfangstagen entschied sich Weihong Power für Lithiumtitanat + porösem Verbundkohlenstoff mit Spinellstruktur, der schnellen Aufladungen und hohen Strömen als negatives Elektrodenmaterial standhält; Um die Gefährdung der Batteriesicherheit während des Schnellladens durch hohen Strom zu verhindern, kann Weihong Power durch die Kombination von nicht brennendem Elektrolyt, Membrantechnologie mit hoher Porosität und hoher Durchlässigkeit und intelligenter STL-Wärmeleitflüssigkeitstechnologie die Sicherheit der Batterie gewährleisten wenn der Akku schnell geladen ist.

Im Jahr 2017 kündigte das Unternehmen eine neue Generation von Batterien mit hoher Energiedichte an, die Lithium-Manganat-Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität und hoher Leistung mit einer einzigen Energiedichte von 170 Wh/kg verwenden und eine 15-minütige Schnellladung erreichen. Ziel ist es, Lebens- und Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen.

Zhuhai Yinlong

Die Lithiumtitanatanode ist für ihren weiten Betriebstemperaturbereich und ihre große Lade-Entlade-Rate bekannt. Es gibt keine eindeutigen Daten zu den spezifischen technischen Verfahren. Im Gespräch mit den Mitarbeitern der Ausstellung heißt es, dass die Schnellladung 10 ° C erreichen kann und die Lebensdauer 20,000 Mal beträgt.

Die Zukunft der Schnellladetechnik

Ob die Schnellladetechnologie von Elektrofahrzeugen eine historische Richtung oder ein kurzlebiges Phänomen ist, tatsächlich gibt es unterschiedliche Meinungen und es gibt keine Schlussfolgerung. Als alternative Methode zur Lösung der Kilometerangst wird es auf derselben Plattform mit der Batterieenergiedichte und den Gesamtfahrzeugkosten betrachtet.

Energiedichte und Schnellladeleistung in derselben Batterie sind zwei inkompatible Richtungen und können nicht gleichzeitig erreicht werden. Das Streben nach Batterieenergiedichte ist derzeit der Mainstream. Wenn die Energiedichte hoch genug und die Batteriekapazität eines Fahrzeugs groß genug ist, um die sogenannte „Reichweitenangst“ zu verhindern, wird die Nachfrage nach Batterieladeleistung reduziert; gleichzeitig, wenn die Batterieleistung groß ist, wenn die Batteriekosten pro Kilowattstunde nicht niedrig genug sind, ist es dann notwendig? Ding Kemaos Kauf von Strom, der für „nicht ängstlich“ ausreicht, verlangt von den Verbrauchern eine Wahl. Wenn Sie darüber nachdenken, hat schnelles Laden einen Wert. Ein anderer Gesichtspunkt sind die Kosten für Schnellladeeinrichtungen, die natürlich Teil der Kosten der gesamten Gesellschaft sind, um die Elektrifizierung voranzutreiben.

Ob die Schnellladetechnik im großen Stil vorangetrieben werden kann, die sich schnell entwickelnde Energiedichte und Schnellladetechnik sowie die beiden kostensenkenden Technologien können in der Zukunft eine entscheidende Rolle spielen.