باتری‌های لیتیوم یونی، باتری‌های «نوع صندلی گهواره‌ای» نامیده می‌شوند. یون‌های باردار بین الکترودهای مثبت و منفی حرکت می‌کنند تا انتقال بار را محقق کنند و برق را به مدارهای خارجی یا شارژ از یک منبع انرژی خارجی تامین کنند.

در طی فرآیند شارژ خاص، ولتاژ خارجی به دو قطب باتری اعمال می شود و یون های لیتیوم از مواد الکترود مثبت استخراج می شوند و وارد الکترولیت می شوند. در همان زمان، الکترون های اضافی از کلکتور جریان مثبت عبور می کنند و از طریق مدار خارجی به سمت الکترود منفی حرکت می کنند. یون های لیتیوم در الکترولیت هستند. از الکترود مثبت به الکترود منفی حرکت می کند و از دیافراگم به الکترود منفی عبور می کند. فیلم SEI که از سطح الکترود منفی عبور می کند در ساختار لایه ای گرافیتی الکترود منفی جاسازی شده و با الکترون ها ترکیب می شود.

در طول عملکرد یون ها و الکترون ها، ساختار باتری که بر انتقال بار تأثیر می گذارد، چه الکتروشیمیایی و چه فیزیکی، بر عملکرد شارژ سریع تأثیر می گذارد.

الزامات شارژ سریع برای تمام قسمت های باتری

در مورد باتری ها، اگر می خواهید عملکرد برق را بهبود ببخشید، باید در تمام جنبه های باتری از جمله الکترود مثبت، الکترود منفی، الکترولیت، جداکننده و طراحی سازه سخت کار کنید.

الکترود مثبت

در واقع، تقریباً از انواع مواد کاتدی می توان برای ساخت باتری های با شارژ سریع استفاده کرد. خواص مهمی که باید تضمین شوند عبارتند از رسانایی (کاهش مقاومت داخلی)، انتشار (اطمینان از سینتیک واکنش)، عمر (توضیح داده نشود) و ایمنی (توضیح داده نشود)، عملکرد پردازش مناسب (مساحت سطح خاص نباید خیلی زیاد باشد. بزرگ برای کاهش واکنش های جانبی و ارائه ایمنی).

البته، مشکلاتی که باید برای هر ماده خاص حل شود ممکن است متفاوت باشد، اما مواد کاتدی رایج ما می توانند این الزامات را از طریق یک سری بهینه سازی برآورده کنند، اما مواد مختلف نیز متفاوت هستند:

الف. فسفات آهن لیتیوم ممکن است بیشتر بر حل مشکلات هدایت و دمای پایین متمرکز باشد. اجرای پوشش کربنی، نانوسازی متوسط ​​(توجه داشته باشید که متوسط ​​است، قطعاً منطق ساده ای نیست که هرچه ریزتر بهتر باشد) و تشکیل رسانای یونی روی سطح ذرات معمولی ترین استراتژی ها هستند.

ب. خود ماده سه تایی رسانایی الکتریکی نسبتاً خوبی دارد، اما واکنش پذیری آن بسیار زیاد است، بنابراین مواد سه تایی به ندرت کار در مقیاس نانو انجام می دهند (نانوسازی یک پادزهر نوشدارویی برای بهبود عملکرد مواد نیست، به ویژه در زمینه باتری ها گاهی اوقات ضد استفاده های زیادی در چین وجود دارد، و توجه بیشتری به ایمنی و سرکوب واکنش های جانبی (با الکترولیت) می شود. از این گذشته، عمر فعلی مواد سه تایی در ایمنی نهفته است و حوادث اخیر ایمنی باتری نیز مکررا رخ داده است. الزامات بالاتری را مطرح کنید.

ج- منگنات لیتیوم از نظر عمر مفید اهمیت بیشتری دارد. همچنین بسیاری از باتری های شارژ سریع مبتنی بر لیتیوم منگنات در بازار وجود دارد.

الکترود منفی

هنگامی که یک باتری لیتیوم یون شارژ می شود، لیتیوم به الکترود منفی مهاجرت می کند. پتانسیل بسیار بالای ناشی از شارژ سریع و جریان زیاد باعث می شود پتانسیل الکترود منفی منفی تر شود. در این زمان، فشار الکترود منفی برای پذیرش سریع لیتیوم افزایش می یابد و تمایل به تولید دندریت های لیتیوم افزایش می یابد. بنابراین، الکترود منفی نه تنها باید انتشار لیتیوم را در طول شارژ سریع برآورده کند. الزامات سینتیکی باتری لیتیوم یونی نیز باید مشکل ایمنی ناشی از افزایش تمایل دندریت های لیتیوم را حل کند. بنابراین، مشکل فنی مهم هسته شارژ سریع، قرار دادن یون لیتیوم در الکترود منفی است.

الف. در حال حاضر، ماده الکترود منفی غالب در بازار همچنان گرافیت است (حدود 90 درصد از سهم بازار را به خود اختصاص می دهد). دلیل اصلی ارزان است و عملکرد پردازش جامع و چگالی انرژی گرافیت نسبتاً خوب است و کاستی‌های نسبتا کمی دارد. . البته در الکترود منفی گرافیت نیز مشکلاتی وجود دارد. سطح نسبتاً به الکترولیت حساس است و واکنش بین‌سازی لیتیوم جهت‌گیری قوی دارد. بنابراین، بسیار مهم است که برای بهبود پایداری ساختاری سطح گرافیت و ترویج انتشار یون‌های لیتیوم بر روی زیرلایه تلاش کنیم. جهت.

ب. کربن سخت و مواد کربن نرم نیز در سال های اخیر پیشرفت زیادی داشته اند: مواد کربن سخت پتانسیل درج لیتیوم بالایی دارند و دارای ریز منافذ در مواد هستند، بنابراین سینتیک واکنش خوب است. و مواد کربن نرم سازگاری خوبی با الکترولیت دارند، MCMB مواد نیز بسیار معرف هستند، اما مواد کربنی سخت و نرم عموما بازدهی پایین و هزینه بالایی دارند (و تصور کنید که گرافیت به همان قیمت ارزان است، می ترسم اینطور نباشد. از نقطه نظر صنعتی امیدوار کننده است)، بنابراین مصرف فعلی به مراتب کمتر از گرافیت است و در برخی از تخصص ها بیشتر در باتری استفاده می شود.

ج. لیتیوم تیتانات چطور؟ به طور خلاصه: مزایای لیتیوم تیتانات چگالی توان بالا، ایمن تر و معایب آشکار است. چگالی انرژی بسیار کم است و هزینه آن با Wh محاسبه می شود. بنابراین، از نظر باتری لیتیوم تیتانات یک فناوری مفید با مزایایی در مواقع خاص است، اما برای بسیاری از مواردی که نیاز به هزینه و برد بالا دارند، مناسب نیست.

D. مواد آند سیلیکون یک جهت توسعه مهم هستند و باتری جدید 18650 پاناسونیک فرآیند تجاری چنین موادی را آغاز کرده است. با این حال، چگونگی دستیابی به تعادل بین پیگیری عملکرد نانومتر و الزامات عمومی سطح میکرون مواد مرتبط با صنعت باتری، هنوز یک کار چالش برانگیزتر است.

دیافراگم

در مورد باتری های نوع برق، عملکرد با جریان بالا الزامات بیشتری را بر ایمنی و طول عمر آنها تحمیل می کند. تکنولوژی پوشش دیافراگم را نمی توان دور زد. دیافراگم های پوشش داده شده سرامیکی به دلیل ایمنی بالا و توانایی مصرف ناخالصی های موجود در الکترولیت به سرعت در حال بیرون رانده شدن هستند. به طور خاص، اثر بهبود ایمنی باتری های سه تایی به ویژه قابل توجه است.

مهمترین سیستمی که در حال حاضر برای دیافراگم های سرامیکی استفاده می شود، پوشش ذرات آلومینا بر روی سطح دیافراگم های سنتی است. یک روش نسبتا جدید پوشاندن الیاف الکترولیت جامد روی دیافراگم است. چنین دیافراگم هایی مقاومت داخلی کمتری دارند و اثر پشتیبانی مکانیکی دیافراگم های مرتبط با فیبر بهتر است. عالی است و تمایل کمتری به مسدود کردن منافذ دیافراگم در حین سرویس دارد.

پس از پوشش، دیافراگم از ثبات خوبی برخوردار است. حتی اگر دما نسبتاً بالا باشد، کوچک شدن و تغییر شکل دادن و ایجاد اتصال کوتاه آسان نیست. Jiangsu Qingtao Energy Co., Ltd. با پشتیبانی فنی گروه تحقیقاتی Nan Cewen دانشکده مواد و مواد دانشگاه Tsinghua دارای نماینده ای در این زمینه است. هنگام کار، دیافراگم در شکل زیر نشان داده شده است.

الکترولیت

الکترولیت تأثیر زیادی بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی با شارژ سریع دارد. برای اطمینان از پایداری و ایمنی باتری تحت شارژ سریع و جریان بالا، الکترولیت باید دارای ویژگی های زیر باشد: الف) تجزیه نمی شود، ب) رسانایی بالا، ج) نسبت به مواد مثبت و منفی بی اثر است. واکنش نشان دهید یا حل کنید.

اگر می خواهید این الزامات را برآورده کنید، نکته کلیدی استفاده از مواد افزودنی و الکترولیت های کاربردی است. به عنوان مثال، ایمنی باتری های سه تایی شارژ سریع به شدت تحت تأثیر آن قرار می گیرد و لازم است برای بهبود ایمنی آن تا حدودی، مواد افزودنی مختلف ضد دمای بالا، ضد شعله و ضد شارژ اضافه به آنها اضافه شود. مشکل قدیمی و دشوار باتری های لیتیوم تیتانات، نفخ در دمای بالا، نیز باید توسط الکترولیت عملکردی با دمای بالا بهبود یابد.

طراحی ساختار باتری

یک استراتژی بهینه سازی معمولی، نوع سیم پیچی انباشته VS است. الکترودهای باتری انباشته معادل یک رابطه موازی و نوع سیم پیچ معادل اتصال سری است. بنابراین، مقاومت داخلی اولی بسیار کمتر است و برای نوع قدرت مناسب تر است. مناسبت.

علاوه بر این، می توان روی تعداد زبانه ها برای حل مشکلات مقاومت داخلی و اتلاف گرما تلاش کرد. علاوه بر این، استفاده از مواد الکترود با رسانایی بالا، استفاده از عوامل رسانای بیشتر و پوشش دادن الکترودهای نازک تر نیز استراتژی هایی هستند که می توانند مورد توجه قرار گیرند.

به طور خلاصه، عواملی که بر حرکت شارژ در باتری و سرعت قرار دادن سوراخ های الکترود تأثیر می گذارد، بر توانایی شارژ سریع باتری های لیتیوم یون تأثیر می گذارد.

مروری بر مسیرهای فناوری شارژ سریع برای سازندگان اصلی

دوران نینگده

با توجه به الکترود مثبت، CATL فناوری “شبکه الکترونیکی فوق العاده” را توسعه داد که باعث می شود فسفات آهن لیتیوم دارای رسانایی الکترونیکی عالی باشد. در سطح گرافیت الکترود منفی، از فناوری “حلقه یونی سریع” برای اصلاح گرافیت استفاده می شود، و گرافیت اصلاح شده هم شارژ فوق العاده سریع و هم بالا را در نظر می گیرد با ویژگی های چگالی انرژی، الکترود منفی دیگر دارای بیش از حد اضافی نیست. محصولات در طول شارژ سریع، به طوری که دارای ظرفیت شارژ سریع 4-5 درجه سانتیگراد، تحقق شارژ و شارژ سریع 10-15 دقیقه است و می تواند از چگالی انرژی سطح سیستم بالاتر از 70wh/kg اطمینان حاصل کند و به عمر چرخه 10,000 دست یابد.

از نظر مدیریت حرارتی، سیستم مدیریت حرارتی آن به طور کامل “فاصله شارژ سالم” سیستم شیمیایی ثابت را در دماها و SOC های مختلف تشخیص می دهد که دمای کار باتری های لیتیوم یون را تا حد زیادی گسترش می دهد.

واترما

واترما اخیراً چندان خوب نیست، بگذارید فقط در مورد فناوری صحبت کنیم. واترما از فسفات آهن لیتیوم با اندازه ذرات کوچکتر استفاده می کند. در حال حاضر، فسفات آهن لیتیوم رایج موجود در بازار دارای اندازه ذرات بین 300 تا 600 نانومتر است، در حالی که واترما تنها از 100 تا 300 نانومتر فسفات آهن لیتیوم استفاده می‌کند، بنابراین یون‌های لیتیوم خواهند داشت هر چه سرعت مهاجرت سریع‌تر باشد، جریان بزرگ‌تر می‌شود. شارژ و تخلیه شد. برای سیستم های غیر از باتری، طراحی سیستم های مدیریت حرارتی و ایمنی سیستم را تقویت کنید.

میکرو پاور

در روزهای اولیه، Weihong Power لیتیوم تیتانات + کربن کامپوزیت متخلخل با ساختار اسپینل را انتخاب کرد که می تواند شارژ سریع و جریان بالا را به عنوان ماده الکترود منفی تحمل کند. به منظور جلوگیری از تهدید جریان قدرت بالا برای ایمنی باتری در هنگام شارژ سریع، Weihong Power ترکیبی از الکترولیت غیر سوزان، فناوری دیافراگم با تخلخل و نفوذپذیری بالا و فناوری مایع کنترل حرارتی هوشمند STL، می تواند ایمنی باتری را تضمین کند. زمانی که باتری به سرعت شارژ می شود.

در سال 2017، نسل جدیدی از باتری‌های با چگالی انرژی بالا را با استفاده از مواد کاتدی لیتیوم منگنات با ظرفیت و توان بالا، با چگالی انرژی 170 وات بر کیلوگرم و دستیابی به شارژ سریع 15 دقیقه‌ای معرفی کرد. هدف در نظر گرفتن مسائل مربوط به زندگی و ایمنی است.

ژوهای یین لانگ

آند لیتیوم تیتانات به دلیل محدوده دمای عملیاتی گسترده و نرخ شارژ-تخلیه زیاد شناخته شده است. هیچ داده روشنی در مورد روش های فنی خاص وجود ندارد. در صحبت با کارکنان نمایشگاه، گفته می شود که شارژ سریع آن می تواند به 10 درجه سانتیگراد برسد و طول عمر آن 20,000 برابر است.

آینده فناوری شارژ سریع

اینکه فناوری شارژ سریع خودروهای الکتریکی یک جهت تاریخی است یا یک پدیده کوتاه مدت، در واقع اکنون نظرات متفاوتی وجود دارد و هیچ نتیجه ای وجود ندارد. به عنوان یک روش جایگزین برای حل اضطراب مسافت پیموده شده، در همان پلت فرم با چگالی انرژی باتری و هزینه کلی وسیله نقلیه در نظر گرفته می شود.

چگالی انرژی و عملکرد شارژ سریع، در یک باتری، می توان گفت دو جهت ناسازگار هستند و نمی توان به طور همزمان به آن دست یافت. پیگیری چگالی انرژی باتری در حال حاضر جریان اصلی است. هنگامی که چگالی انرژی به اندازه کافی بالا باشد و ظرفیت باتری یک وسیله نقلیه به اندازه کافی بزرگ باشد تا از به اصطلاح “اضطراب برد” جلوگیری کند، تقاضا برای عملکرد شارژ نرخ باتری کاهش می یابد. در عین حال، اگر قدرت باتری زیاد باشد، اگر هزینه باتری در هر کیلووات ساعت به اندازه کافی کم نباشد، آیا لازم است؟ خرید برق توسط دینگ کمائو که برای «نگرانی» کافی است، مصرف کنندگان را ملزم به انتخاب می کند. اگر در مورد آن فکر کنید، شارژ سریع ارزش دارد. دیدگاه دیگر هزینه تسهیلات شارژ سریع است که البته بخشی از هزینه کل جامعه برای ترویج برق رسانی است.

این که آیا فناوری شارژ سریع می تواند در مقیاس بزرگ ترویج شود، فناوری چگالی انرژی و شارژ سریع که به سرعت توسعه می یابد و دو فناوری که هزینه ها را کاهش می دهند، ممکن است نقش تعیین کننده ای در آینده آن داشته باشند.