با توجه به نیازهای دوستان گروه، در مورد درک شارژ سریع باتری لیتیومی صحبت کنید:

تصویر

از این نمودار برای نشان دادن روند شارژ باتری استفاده کنید. آبسیسا زمان و مختصات ولتاژ است. در مرحله شارژ اولیه باتری لیتیومی، یک فرآیند پیش‌شارژ جریانی کوچک، یعنی پیش‌شارژ CC وجود خواهد داشت که هدف آن تثبیت مواد آند و کاتد است. پس از آن، باتری را می توان پس از پایدار شدن باتری، روی Charge با جریان بالا، یعنی CC Fast Charge تنظیم کرد. در نهایت وارد حالت شارژ ولتاژ ثابت (CV) می شود. برای باتری لیتیومی، زمانی که ولتاژ به 4.2 ولت می رسد، سیستم حالت شارژ ولتاژ ثابت را شروع می کند و جریان شارژ به تدریج کاهش می یابد تا زمانی که ولتاژ کمتر از مقدار معینی باشد، شارژ به پایان برسد.

در طول کل فرآیند، جریان های استاندارد شارژ متفاوتی برای باتری های مختلف وجود دارد. به عنوان مثال، برای محصولات 3C، جریان شارژ استاندارد به طور کلی 0.1C-0.5C است، در حالی که برای باتری های پرقدرت، شارژ استاندارد به طور کلی 1C است. جریان شارژ کم نیز برای ایمنی باتری در نظر گرفته شده است. بنابراین، مثلاً در زمان‌های معمولی شارژ سریع، به چندین برابر جریان شارژ استاندارد تا ده‌ها بار اشاره می‌شود.

برخی می گویند که شارژ باتری های لیتیومی مانند ریختن آبجو است، سریع و پر کردن سریع آبجو، اما با کف زیاد. کند است، کند است، اما آبجو زیاد است، جامد است. شارژ سریع نه تنها باعث صرفه جویی در زمان شارژ می شود، بلکه به خود باتری نیز آسیب می رساند. با توجه به پدیده پلاریزاسیون در باتری، حداکثر جریان شارژی که می تواند بپذیرد با افزایش چرخه شارژ و دشارژ کاهش می یابد. هنگامی که شارژ مداوم و جریان شارژ زیاد است، غلظت یون در الکترود افزایش می‌یابد و پلاریزاسیون تشدید می‌شود و ولتاژ پایانه باتری نمی‌تواند مستقیماً با شارژ/انرژی به نسبت خطی مطابقت داشته باشد. در عین حال، شارژ جریان بالا، افزایش مقاومت داخلی منجر به تشدید اثر گرمایش ژول (Q=I2Rt) می شود و واکنش های جانبی مانند تجزیه واکنش الکترولیت، تولید گاز و یک سری مشکلات، عامل خطر را به همراه خواهد داشت. به طور ناگهانی افزایش می یابد، بر ایمنی باتری تأثیر می گذارد، عمر باتری بدون برق بسیار کاهش می یابد.

01

مواد آند

فرآیند شارژ سریع باتری لیتیومی مهاجرت سریع و جاسازی Li+ در مواد آند است. اندازه ذرات ماده کاتد می تواند بر زمان پاسخ و مسیر انتشار یون ها در فرآیند الکتروشیمیایی باتری تأثیر بگذارد. بر اساس مطالعات انجام شده، ضریب انتشار یون های لیتیوم با کاهش اندازه دانه ماده افزایش می یابد. با این حال، با کاهش اندازه ذرات مواد، تجمع جدی ذرات در تولید خمیر انجام می شود و در نتیجه پراکندگی ناهموار می شود. در عین حال، نانوذرات چگالی تراکم ورق الکترود را کاهش می‌دهند و سطح تماس با الکترولیت را در فرآیند واکنش جانبی شارژ و تخلیه افزایش می‌دهند و بر عملکرد باتری تأثیر می‌گذارند.

روش مطمئن تر اصلاح مواد الکترود مثبت با پوشش است. به عنوان مثال، رسانایی خود LFP خیلی خوب نیست. پوشش سطح LFP با مواد کربنی یا مواد دیگر می تواند رسانایی آن را بهبود بخشد، که منجر به بهبود عملکرد شارژ سریع باتری می شود.

02

مواد آند

شارژ سریع باتری لیتیومی به این معنی است که یون‌های لیتیوم می‌توانند به سرعت بیرون بیایند و به سمت الکترود منفی “شنا” شوند، که لازم است ماده کاتد قابلیت جاسازی سریع لیتیوم را داشته باشد. مواد آندی مورد استفاده برای شارژ سریع باتری لیتیومی شامل مواد کربنی، لیتیوم تیتانات و برخی مواد جدید دیگر است.

برای مواد کربن، یون‌های لیتیوم ترجیحاً تحت شرایط شارژ معمولی در گرافیت جاسازی می‌شوند، زیرا پتانسیل جاسازی لیتیوم شبیه به رسوب لیتیوم است. با این حال، تحت شرایط شارژ سریع یا دمای پایین، یون های لیتیوم ممکن است بر روی سطح رسوب کرده و لیتیوم دندریت را تشکیل دهند. هنگامی که لیتیوم دندریت SEI را سوراخ کرد، از دست دادن ثانویه Li + ایجاد شد و ظرفیت باتری کاهش یافت. هنگامی که فلز لیتیوم به سطح معینی می رسد، از الکترود منفی به دیافراگم رشد می کند و خطر اتصال کوتاه باتری را ایجاد می کند.

در مورد LTO، این ماده متعلق به ماده آند حاوی اکسیژن “زرو کرنش” است که در حین کار باتری SEI تولید نمی کند و توانایی اتصال قوی تری با یون لیتیوم دارد که می تواند الزامات شارژ سریع و رهاسازی را برآورده کند. در عین حال، به دلیل اینکه SEI نمی تواند تشکیل شود، ماده آند مستقیماً با الکترولیت تماس پیدا می کند که باعث بروز واکنش های جانبی می شود. مشکل تولید گاز باتری LTO قابل حل نیست و تنها با اصلاح سطح می توان آن را کاهش داد.

03

مایع الکترود

همانطور که در بالا ذکر شد، در فرآیند شارژ سریع، به دلیل ناهماهنگی نرخ مهاجرت یون لیتیوم و سرعت انتقال الکترون، باتری دارای قطبش زیادی خواهد بود. بنابراین برای به حداقل رساندن واکنش منفی ناشی از قطبش باتری، سه نکته زیر برای توسعه الکترولیت مورد نیاز است: 1، نمک الکترولیت با تفکیک بالا. 2، کامپوزیت حلال – ویسکوزیته کمتر. 3، کنترل رابط – امپدانس غشاء پایین تر.

04

رابطه بین تکنولوژی تولید و پر کردن سریع

پیش از این، الزامات و تأثیرات پر کردن سریع از سه ماده کلیدی، مانند مواد الکترود مثبت و منفی و مایع الکترود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در زیر طراحی فرآیندی است که تأثیر نسبتاً زیادی دارد. پارامترهای تکنولوژیکی تولید باتری مستقیماً بر مقاومت مهاجرت یون‌های لیتیوم در هر قسمت از باتری قبل و بعد از فعال‌سازی باتری تأثیر می‌گذارد، بنابراین پارامترهای فنی تهیه باتری تأثیر مهمی بر عملکرد باتری لیتیوم یونی دارند.

(1) دوغاب

برای خواص دوغاب، از یک طرف، لازم است که عامل رسانا به طور یکنواخت پراکنده شود. از آنجا که عامل رسانا به طور مساوی بین ذرات ماده فعال توزیع می شود، می توان شبکه رسانای یکنواخت تری بین ماده فعال و ماده فعال و سیال جمع کننده ایجاد کرد که وظیفه جمع آوری میکرو جریان، کاهش مقاومت تماس را دارد. و می تواند سرعت حرکت الکترون ها را بهبود بخشد. از طرف دیگر برای جلوگیری از پراکندگی بیش از حد عامل رسانا است. در فرآیند شارژ و دشارژ، ساختار کریستالی مواد آند و کاتد تغییر می‌کند که ممکن است باعث کنده شدن عامل رسانا، افزایش مقاومت داخلی باتری و تأثیر بر عملکرد شود.

(2) چگالی بسیار جزئی

در تئوری، باتری های چند برابر و باتری های با ظرفیت بالا ناسازگار هستند. هنگامی که چگالی پلاریزاسیون الکترودهای مثبت و منفی کم است، سرعت انتشار یون های لیتیوم را می توان افزایش داد و مقاومت مهاجرت یون و الکترون را کاهش داد. هرچه چگالی سطح کمتر باشد، الکترود نازک‌تر است و تغییر ساختار الکترود ناشی از وارد کردن و رهاسازی مداوم یون‌های لیتیوم در بار و تخلیه نیز کوچک‌تر است. اما اگر چگالی سطح خیلی کم باشد، چگالی انرژی باتری کاهش می یابد و هزینه آن افزایش می یابد. بنابراین، تراکم سطح باید به طور جامع در نظر گرفته شود. شکل زیر نمونه ای از باتری لیتیوم کبالات است که در دمای 6 درجه سانتیگراد شارژ می شود و در دمای 1 درجه سانتیگراد تخلیه می شود.

تصویر

(3) قوام پوشش قطعه قطبی

قبل از این، یکی از دوستان پرسید، آیا ناهماهنگی بسیار جزئی چگالی تاثیری روی باتری خواهد داشت؟ در اینجا به هر حال، برای عملکرد شارژ سریع، اصلی ترین قوام صفحه آند است. اگر چگالی سطح منفی یکنواخت نباشد، تخلخل داخلی ماده زنده پس از نورد بسیار متفاوت خواهد بود. تفاوت تخلخل منجر به تفاوت توزیع جریان داخلی می شود که بر شکل گیری و عملکرد SEI در مرحله شکل گیری باتری تأثیر می گذارد و در نهایت بر عملکرد شارژ سریع باتری تأثیر می گذارد.

(4) تراکم تراکم ورق قطب

چرا قطب ها باید فشرده شوند؟ یکی برای بهبود انرژی خاص باتری، دیگری بهبود عملکرد باتری است. چگالی تراکم مطلوب با مواد الکترود متفاوت است. با افزایش چگالی تراکم، هرچه تخلخل ورق الکترود کوچکتر باشد، اتصال بین ذرات نزدیکتر می شود و ضخامت ورق الکترود در زیر چگالی سطحی یکسان کمتر می شود، بنابراین مسیر مهاجرت یون های لیتیوم را می توان کاهش داد. هنگامی که چگالی تراکم خیلی زیاد است، اثر نفوذ الکترولیت خوب نیست، که ممکن است ساختار مواد و توزیع عامل رسانا را از بین ببرد و مشکل سیم پیچ بعدی رخ دهد. به طور مشابه، باتری لیتیوم کبالات در دمای 6 درجه سانتیگراد شارژ می شود و در دمای 1 درجه سانتیگراد تخلیه می شود و تأثیر چگالی تراکم بر ظرفیت ویژه تخلیه به صورت زیر نشان داده شده است:

تصویر

05

تشکیل پیری و دیگران

برای باتری کربن منفی، تشکیل – پیری فرآیند کلیدی باتری لیتیومی است که بر کیفیت SEI تأثیر می گذارد. ضخامت SEI یکنواخت نیست یا ساختار ناپایدار است که بر ظرفیت شارژ سریع و عمر چرخه باتری تأثیر می گذارد.

علاوه بر چندین عامل مهم فوق، تولید سلول، سیستم شارژ و دشارژ تأثیر زیادی بر عملکرد باتری لیتیومی خواهد داشت. با افزایش زمان سرویس، میزان شارژ باتری باید نسبتاً کاهش یابد، در غیر این صورت قطبش تشدید می شود.

نتیجه

ماهیت شارژ و دشارژ سریع باتری های لیتیومی این است که یون های لیتیوم را می توان به سرعت بین مواد آند و کاتد جاسازی کرد. خواص مواد، طراحی فرآیند و سیستم شارژ و دشارژ باتری ها همگی بر عملکرد شارژ جریان بالا تأثیر می گذارند. پایداری ساختاری مواد آند و آند منجر به فرآیند سریع دلیتیوم بدون ایجاد فروپاشی ساختاری می شود، یون های لیتیوم در سرعت انتشار مواد سریع تر است، به منظور مقاومت در برابر شارژ جریان بالا. به دلیل عدم تطابق بین سرعت مهاجرت یون و سرعت انتقال الکترون، پلاریزاسیون در فرآیند شارژ و دشارژ رخ می دهد، بنابراین قطبش باید به حداقل برسد تا از رسوب فلز لیتیوم جلوگیری شود و ظرفیت تأثیرگذاری بر عمر کاهش یابد.