Keskustele ryhmän ystävien vaatimusten mukaisesti litiumakun pikalatauksen ymmärtämisestä:

Kuva

Käytä tätä kaaviota akun latausprosessin havainnollistamiseen. Abskissa on aika ja ordinaatta on jännite. Litiumakun alkulatausvaiheessa suoritetaan pieni virran esilatausprosessi, nimittäin CC-esilataus, jonka tarkoituksena on stabiloida anodi- ja katodimateriaalit. Sen jälkeen akku voidaan säätää lataukseen suurella virralla, nimittäin CC Fast Charge, kun akku on vakaa. Lopuksi se siirtyy vakiojännitelataustilaan (CV). Litiumakulle järjestelmä aloittaa jatkuvan jännitteen lataustilan, kun jännite saavuttaa 4.2 V, ja latausvirta pienenee asteittain, kunnes lataus päättyy, kun jännite on alempi kuin tietty arvo.

Koko prosessin aikana eri akuille on erilaisia ​​vakiolatausvirtoja. Esimerkiksi 3C-tuotteissa vakiolatausvirta on yleensä 0.1C-0.5C, kun taas suuritehoisten akkujen vakiolataus on yleensä 1C. Alhainen latausvirta huomioidaan myös akun turvallisuuden kannalta. Eli, sanotaanko tavallisina aikoina nopealla latauksella, se osoittaa useita kertoja tavallista latausvirtaa kymmeniä kertoja.

Jotkut sanovat, että litiumakkujen lataaminen on kuin oluen kaatamista, nopeaa ja oluen täyttämistä nopeasti, mutta paljon vaahtoavaa. Se on hidasta, se on hidasta, mutta siinä on paljon olutta, se on kiinteää. Pikalataus säästää latausaikaa, mutta myös vahingoittaa itse akkua. Akun polarisaatioilmiön vuoksi sen vastaanottama enimmäislatausvirta pienenee lataus- ja purkausjakson kasvaessa. Kun jatkuva lataus ja latausvirta ovat suuria, ionipitoisuus elektrodilla kasvaa ja polarisaatio voimistuu, eikä akun napojen jännite voi suoraan vastata latausta/energiaa lineaarisessa suhteessa. Samaan aikaan korkea latausvirta, sisäisen resistanssin lisääntyminen johtaa tehostettuun Joule-lämmitysvaikutukseen (Q=I2Rt), mikä tuo sivureaktioita, kuten elektrolyytin reaktion hajoamisen, kaasun tuotannon ja sarjan ongelmia, riskitekijän. kasvaa äkillisesti, vaikuttaa akun turvallisuuteen, tehottoman akun käyttöikä lyhenee huomattavasti.

01

Anodin materiaali

Litiumakun nopea latausprosessi on Li+:n nopea siirtyminen ja upottaminen anodimateriaaliin. Katodimateriaalin hiukkaskoko voi vaikuttaa ionien vasteaikaan ja diffuusioreittiin akun sähkökemiallisessa prosessissa. Tutkimusten mukaan litiumionien diffuusiokerroin kasvaa materiaalin raekoon pienentyessä. Kuitenkin materiaalin hiukkaskoon pienentyessä massan valmistuksessa tapahtuu vakavaa hiukkasten agglomeroitumista, mikä johtaa epätasaiseen leviämiseen. Samaan aikaan nanohiukkaset vähentävät elektrodilevyn tiivistystiheyttä ja lisäävät kosketuspinta-alaa elektrolyytin kanssa lataus- ja purkaussivureaktiossa, mikä vaikuttaa akun suorituskykyyn.

Luotettavampi menetelmä on muokata positiivisen elektrodin materiaalia pinnoittamalla. Esimerkiksi itse LFP:n johtavuus ei ole kovin hyvä. LFP:n pinnan päällystäminen hiilimateriaalilla tai muilla materiaaleilla voi parantaa sen johtavuutta, mikä parantaa akun nopeaa latauskykyä.

02

Anodimateriaalit

Litiumakun nopea lataus tarkoittaa, että litiumionit voivat nopeasti tulla ulos ja “uida” negatiiviselle elektrodille, mikä edellyttää katodimateriaalin kykyä upottaa litiumia nopeasti. Litiumakun nopeaan lataamiseen käytettyjä anodimateriaaleja ovat hiilimateriaali, litiumtitanaatti ja joitain muita uusia materiaaleja.

Hiilimateriaaleissa litiumionit upotetaan ensisijaisesti grafiittiin tavanomaisen latauksen olosuhteissa, koska litiumin uppoamisen potentiaali on samanlainen kuin litiumin saostumisen. Kuitenkin nopean latauksen tai alhaisen lämpötilan olosuhteissa litiumionit voivat saostua pinnalle ja muodostaa dendriittilitiumia. Kun dendriittilitium puhkaisi SEI:n, aiheutui Li+-sekundaarihäviö ja akun kapasiteetti pieneni. Kun litiummetalli saavuttaa tietyn tason, se kasvaa negatiivisesta elektrodista kalvoon aiheuttaen akun oikosulun riskin.

LTO:n osalta se kuuluu “nollajännitteiseen” happea sisältävään anodimateriaaliin, joka ei tuota SEI:tä akkutoiminnan aikana ja jolla on vahvempi sitomiskyky litiumionilla, joka voi täyttää nopean latauksen ja vapautumisen vaatimukset. Samaan aikaan, koska SEI:tä ei voida muodostaa, anodimateriaali tulee suoraan kosketukseen elektrolyytin kanssa, mikä edistää sivureaktioiden esiintymistä. LTO-akkukaasun tuotannon ongelmaa ei voida ratkaista, ja sitä voidaan lievittää vain pintamuokkauksella.

03

Elektrodi neste

Kuten edellä mainittiin, nopean latauksen aikana litiumionien migraationopeuden ja elektronin siirtonopeuden epäjohdonmukaisuuden vuoksi akulla on suuri polarisaatio. Joten akun polarisaation aiheuttaman negatiivisen reaktion minimoimiseksi elektrolyytin kehittämiseen tarvitaan seuraavat kolme kohtaa: 1, korkean dissosioitumisen elektrolyyttisuola; 2, liuotinkomposiitti – matalampi viskositeetti; 3, rajapinnan ohjaus – alempi kalvoimpedanssi.

04

Tuotantoteknologian ja nopean täytön välinen suhde

Aikaisemmin nopean täytön vaatimuksia ja vaikutuksia analysoitiin kolmesta keskeisestä materiaalista, kuten positiivisista ja negatiivisista elektrodimateriaaleista sekä elektrodinesteestä. Seuraava on prosessisuunnittelu, jolla on suhteellisen suuri vaikutus. Akun valmistuksen teknologiset parametrit vaikuttavat suoraan litiumionien migraatiovastukseen akun jokaisessa osassa ennen ja jälkeen akun aktivoinnin, joten akun valmistuksen teknisillä parametreilla on tärkeä vaikutus litiumioniakun suorituskykyyn.

(1) liete

Lietteen ominaisuuksien vuoksi on toisaalta välttämätöntä pitää johtava aine tasaisesti dispergoituneena. Koska johtava aine jakautuu tasaisesti vaikuttavan aineen hiukkasten kesken, vaikuttavan aineen ja vaikuttavan aineen ja keräysnesteen välille voi muodostua tasaisempi johtava verkosto, jonka tehtävänä on kerätä mikrovirtaa, mikä vähentää kosketusresistanssia. ja voi parantaa elektronien liikkumisnopeutta. Toisaalta on estettävä johtavan aineen liiallinen leviäminen. Lataus- ja purkausprosessissa anodi- ja katodimateriaalien kiderakenne muuttuu, mikä voi aiheuttaa johtavan aineen kuoriutumista, lisätä akun sisäistä vastusta ja vaikuttaa suorituskykyyn.

(2) Erittäin osittainen tiheys

Teoriassa kerrannaisparistot ja suuren kapasiteetin akut eivät ole yhteensopivia. Kun positiivisten ja negatiivisten elektrodien polarisaatiotiheys on pieni, litiumionien diffuusionopeutta voidaan lisätä ja ionien ja elektronien migraatiovastusta voidaan vähentää. Mitä pienempi pintatiheys on, sitä ohuempi elektrodi on, ja myös litiumionien jatkuvan sisään- ja vapautumisen aiheuttama muutos varaukseen ja purkaukseen on pienempi. Jos pintatiheys on kuitenkin liian pieni, akun energiatiheys pienenee ja kustannukset nousevat. Siksi pintatiheys tulee harkita kattavasti. Seuraava kuva on esimerkki litiumkobalaattiakun lataamisesta 6 C:ssa ja purkamisesta 1 C:ssa.

Kuva

(3) Polaarisen pinnoitteen konsistenssi

Ennen eräs ystävä kysyi, vaikuttaako äärimmäisen osittaisella tiheyden epäjohdonmukaisuudella akkuun? Tässä muuten nopean latauksen kannalta tärkeintä on anodilevyn johdonmukaisuus. Jos negatiivinen pintatiheys ei ole tasainen, elävän materiaalin sisäinen huokoisuus vaihtelee suuresti valssauksen jälkeen. Huokoisuuden ero johtaa sisäisen virran jakautumisen eroon, mikä vaikuttaa SEI:n muodostumiseen ja suorituskykyyn akun muodostusvaiheessa ja lopulta akun nopeaan lataussuoritukseen.

(4) Napalevyn tiivistystiheys

Miksi pylväät pitää tiivistää? Toinen on parantaa akun ominaisenergiaa, toinen on parantaa akun suorituskykyä. Optimaalinen tiivistystiheys vaihtelee elektrodimateriaalin mukaan. Tiivistystiheyden kasvaessa mitä pienempi elektrodilevyn huokoisuus on, sitä tiiviimpi yhteys hiukkasten välillä on ja sitä pienempi on elektrodilevyn paksuus saman pintatiheyden alla, joten litiumionien migraatioreittiä voidaan vähentää. Kun tiivistystiheys on liian suuri, elektrolyytin tunkeutumisvaikutus ei ole hyvä, mikä voi tuhota materiaalin rakenteen ja johtavan aineen jakautumisen, ja myöhemmin syntyy käämitysongelma. Vastaavasti litiumkobalaattiakkua ladataan 6 C:ssa ja puretaan 1 C:ssa, ja tiivistystiheyden vaikutus purkauskohtaiseen kapasiteettiin näkyy seuraavasti:

Kuva

05

Muodostumisen ikääntyminen ja muut

Hiilinegatiivisen akun muodostuminen – ikääntyminen on litiumakun avainprosessi, joka vaikuttaa SEI:n laatuun. SEI:n paksuus ei ole tasainen tai rakenne on epävakaa, mikä vaikuttaa akun nopeaan latauskapasiteettiin ja käyttöikään.

Edellä mainittujen useiden tärkeiden tekijöiden lisäksi kenno-, lataus- ja purkausjärjestelmän tuotannolla on suuri vaikutus litiumakun suorituskykyyn. Palveluajan pidentyessä akun latausnopeutta tulee vähentää maltillisesti, muuten polarisaatio pahenee.

johtopäätös

Litiumakkujen nopean latauksen ja purkamisen ydin on, että litiumioneja voidaan nopeasti purkaa anodi- ja katodimateriaalien väliltä. Materiaaliominaisuudet, prosessin suunnittelu ja akkujen lataus- ja purkujärjestelmä vaikuttavat kaikki suurvirtalatauksen suorituskykyyn. Anodin ja anodimateriaalien rakenteellinen vakaus edistää nopeaa delitiumprosessia aiheuttamatta rakenteellista romahtamista, litiumionit materiaalin diffuusionopeus on nopeampi, jotta ne kestävät korkean virran latauksen. Koska ionien migraationopeuden ja elektronin siirtonopeuden välillä on epäsuhta, lataus- ja purkausprosessissa tapahtuu polarisaatiota, joten polarisaatio tulisi minimoida litiummetallin saostumisen estämiseksi ja kykyä vaikuttaa elinikään.