Quelles sont les exigences pour les batteries lithium-ion de haute qualité ? De manière générale, une longue durée de vie, une densité énergétique élevée et des performances de sécurité fiables sont les conditions préalables à la mesure d’une batterie lithium-ion de haute qualité. Les batteries lithium-ion sont actuellement utilisées dans tous les aspects de la vie quotidienne, mais le fabricant ou la marque est différent. Il existe certaines différences dans la durée de vie et les performances de sécurité des batteries lithium-ion, qui sont étroitement liées aux normes de processus de production et aux matériaux de production ; les conditions suivantes doivent être les conditions d’un lithium-ion de haute qualité ;

1. Longue durée de vie

La durée de vie de la batterie secondaire comprend deux indicateurs : la durée de vie du cycle et la durée de vie du calendrier. La durée de vie du cycle signifie qu’après que la batterie a subi le nombre de cycles promis par le fabricant, la capacité restante est toujours supérieure ou égale à 80%. La durée de vie calendaire signifie que la capacité restante ne doit pas être inférieure à 80 % dans le délai promis par le fabricant, qu’elle soit utilisée ou non.

La durée de vie est l’un des indicateurs clés de la puissance des batteries au lithium. D’une part, la grande action de remplacement de la batterie est vraiment gênante et l’expérience utilisateur n’est pas bonne ; d’autre part, fondamentalement, la vie est une question de coût.

La durée de vie d’une batterie lithium-ion signifie que la capacité de la batterie décroît jusqu’à la capacité nominale (à température ambiante de 25°C, pression atmosphérique standard et 70% de la capacité de la batterie déchargée à 0.2C) après une période d’utilisation , et la vie peut être considérée comme la fin de la vie. Dans l’industrie, la durée de vie du cycle est généralement calculée par le nombre de cycles de batteries lithium-ion complètement chargées et déchargées. En cours d’utilisation, une réaction électrochimique irréversible se produit à l’intérieur de la batterie lithium-ion, ce qui entraîne une diminution de la capacité, telle que la décomposition de l’électrolyte, la désactivation des matériaux actifs et l’effondrement des structures d’électrodes positives et négatives. conduire à une diminution du nombre d’ions lithium d’intercalation et de désintercalation. Attendre. Les expériences montrent qu’un taux de décharge plus élevé entraînera une atténuation plus rapide de la capacité. Si le courant de décharge est faible, la tension de la batterie sera proche de la tension d’équilibre, ce qui peut libérer plus d’énergie.

La durée de vie théorique d’une batterie lithium-ion ternaire est d’environ 800 cycles, ce qui est moyen parmi les batteries lithium-ion rechargeables du commerce. Le phosphate de fer et de lithium est d’environ 2,000 10,000 cycles, tandis que le titanate de lithium serait capable d’atteindre 500 400 cycles. À l’heure actuelle, les fabricants de batteries grand public promettent plus de 10 fois (charge et décharge dans des conditions standard) dans les spécifications de leurs cellules de batterie ternaires. Cependant, une fois les batteries assemblées dans un bloc-batterie, en raison de problèmes de cohérence, les facteurs les plus importants sont la tension et l’intérieur. La résistance ne peut pas être exactement la même et sa durée de vie est d’environ 90 fois. La fenêtre d’utilisation SOC recommandée est de 1000 % à 200 %. Une charge et une décharge profondes ne sont pas recommandées, sinon cela causera des dommages irréversibles à la structure positive et négative de la batterie. S’il est calculé par une charge peu profonde et une décharge peu profonde, la durée de vie du cycle sera d’au moins XNUMX fois. De plus, si les batteries lithium-ion sont fréquemment déchargées dans des environnements à haut débit et à haute température, la durée de vie de la batterie sera considérablement réduite à moins de XNUMX fois.

2. Moins d’entretien, coût d’utilisation inférieur

La batterie elle-même a un prix bas par kilowattheure, qui est le coût le plus intuitif. En plus de ce qui précède, pour les utilisateurs, le fait que le coût soit vraiment bas dépend du « coût du cycle de vie complet de l’électricité ».

« Coût du cycle de vie complet de l’électricité », la puissance totale de la batterie au lithium de puissance est multipliée par le nombre de cycles pour obtenir la quantité totale d’énergie pouvant être utilisée pendant le cycle de vie complet de la batterie et le prix total du batterie est divisé par cette somme pour obtenir le prix du kilowatt d’électricité sur le cycle de vie complet.

Le prix de la batterie dont nous parlons habituellement, par exemple 1,500 50 yuans/kWh, est uniquement basé sur l’énergie totale de la nouvelle cellule de batterie. En effet, le coût de l’électricité par unité de vie est le bénéfice direct du client final. Le résultat le plus intuitif est que si vous achetez deux packs de batteries de même puissance au même prix, l’un arrivera en fin de vie après 100 fois de charge et de décharge, et l’autre pourra être réutilisé après XNUMX fois de charge et de décharge. Ces deux batteries peuvent être vues d’un coup d’œil, ce qui est moins cher.

Pour parler franchement, c’est une longue durée de vie, durable et réduit les coûts.

En plus des deux coûts ci-dessus, le coût de maintenance de la batterie doit également être pris en compte. Considérez simplement le coût initial, sélectionnez la cellule à problème, le coût de maintenance ultérieur et le coût de la main-d’œuvre sont trop élevés. Concernant l’entretien de la cellule de batterie elle-même, il est important de se référer à l’équilibrage manuel. La fonction d’égalisation intégrée du BMS est limitée par la taille de son propre courant d’égalisation de conception et peut ne pas être en mesure d’atteindre l’équilibre idéal entre les cellules. Au fur et à mesure que le temps s’accumule, le problème d’une différence de pression excessive dans la batterie se posera. Dans de telles situations, une égalisation manuelle doit être effectuée et les cellules de batterie avec une tension trop basse sont chargées séparément. Plus la fréquence de cette situation est faible, plus le coût de maintenance est faible.

3. Densité d’énergie élevée/densité de puissance élevée

La densité énergétique fait référence à l’énergie contenue dans une unité de poids ou de volume; l’énergie électrique libérée par l’unité de volume ou de masse moyenne d’une batterie. Généralement, dans un même volume, la densité énergétique des batteries lithium-ion est 2.5 fois celle des batteries nickel-cadmium et 1.8 fois celle des batteries nickel-hydrogène. Par conséquent, lorsque la capacité de la batterie est égale, les batteries lithium-ion seront meilleures que les batteries nickel-cadmium et nickel-hydrogène. Taille plus petite et poids plus léger.

Densité d’énergie de la batterie = capacité de la batterie × plate-forme de décharge/épaisseur de la batterie/largeur de la batterie/longueur de la batterie.

La densité de puissance fait référence à la valeur de la puissance de décharge maximale par unité de poids ou de volume. Dans l’espace limité des véhicules routiers, ce n’est qu’en augmentant la densité que l’énergie globale et la puissance globale peuvent être efficacement améliorées. De plus, les subventions actuelles de l’État utilisent la densité énergétique et la densité de puissance comme seuil pour mesurer le niveau des subventions, ce qui renforce encore l’importance de la densité.

Cependant, il existe une certaine contradiction entre densité énergétique et sécurité. À mesure que la densité énergétique augmente, la sécurité sera toujours confrontée à des défis nouveaux et plus difficiles.

4. Haute tension

Étant donné que les électrodes en graphite sont essentiellement utilisées comme matériaux d’anode, la tension des batteries lithium-ion est principalement déterminée par les caractéristiques matérielles des matériaux de cathode. La limite supérieure de la tension du phosphate de fer au lithium est de 3.6 V, et la tension maximale des batteries ternaires au lithium et au manganate de lithium est d’environ 4.2 V (la partie suivante expliquera pourquoi la tension maximale de la batterie Li-ion ne peut-elle pas dépasser 4.2 V ). Le développement des batteries haute tension est une voie technique pour les batteries lithium-ion pour augmenter la densité énergétique. Pour augmenter la tension de sortie de la cellule, un matériau d’électrode positive à haut potentiel, un matériau d’électrode négative à faible potentiel et un électrolyte à haute tension stable sont nécessaires.

5. Haute efficacité énergétique

L’efficacité de Coulomb, également appelée efficacité de charge, fait référence au rapport entre la capacité de décharge de la batterie et la capacité de charge au cours du même cycle. C’est-à-dire le pourcentage de capacité spécifique de décharge pour charger une capacité spécifique.

Pour le matériau d’électrode positive, il s’agit de la capacité d’insertion de lithium/capacité de lithium, c’est-à-dire la capacité de décharge/capacité de charge ; pour le matériau d’électrode négative, il s’agit de la capacité d’élimination du lithium/capacité d’insertion du lithium, c’est-à-dire la capacité de décharge/capacité de charge.

Pendant le processus de charge, l’énergie électrique est convertie en énergie chimique et pendant le processus de décharge, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique. Il existe une certaine efficacité dans l’entrée et la sortie d’énergie électrique au cours des deux processus de conversion, et cette efficacité reflète directement les performances de la batterie.

Du point de vue de la physique professionnelle, l’efficacité coulombienne et l’efficacité énergétique sont différentes. L’un est le rapport de l’électricité et l’autre est le rapport du travail.

L’efficacité énergétique de la batterie de stockage et l’efficacité de Coulomb, mais d’après l’expression mathématique, il existe une relation de tension entre les deux. La tension moyenne de charge et de décharge n’est pas égale, la tension moyenne de décharge est généralement inférieure à la tension moyenne de charge

Les performances de la batterie peuvent être jugées par l’efficacité énergétique de la batterie. De la conservation de l’énergie, l’énergie électrique perdue est principalement convertie en énergie thermique. Par conséquent, l’efficacité énergétique peut analyser la chaleur générée par la batterie pendant le processus de travail, puis la relation entre la résistance interne et la chaleur peut être analysée. Et on sait que l’efficacité énergétique permet de prédire l’énergie restante de la batterie et de gérer l’utilisation rationnelle de la batterie.

Parce que la puissance d’entrée n’est souvent pas utilisée pour convertir le matériau actif dans un état chargé, mais qu’une partie de celle-ci est consommée (par exemple, des réactions secondaires irréversibles se produisent), donc l’efficacité de Coulomb est souvent inférieure à 100 %. Mais en ce qui concerne les batteries lithium-ion actuelles, l’efficacité de Coulomb peut pratiquement atteindre 99.9% et plus.

Facteurs d’influence : la décomposition de l’électrolyte, la passivation de l’interface, les changements dans la structure, la morphologie et la conductivité des matériaux actifs des électrodes réduiront l’efficacité de Coulomb.

De plus, il convient de mentionner que la dégradation de la batterie a peu d’effet sur l’efficacité de Coulomb et a peu à voir avec la température.

La densité de courant reflète la taille du courant passant par unité de surface. Au fur et à mesure que la densité de courant augmente, le courant passé par la pile augmente, le rendement de tension diminue en raison de la résistance interne et le rendement de Coulomb diminue en raison de la polarisation de concentration et d’autres raisons. Conduire à terme à une réduction de l’efficacité énergétique.

6. Bonne performance à haute température

Les batteries lithium-ion ont de bonnes performances à haute température, ce qui signifie que le noyau de la batterie est dans un environnement à température plus élevée, et les matériaux positifs et négatifs de la batterie, les séparateurs et l’électrolyte peuvent également maintenir une bonne stabilité, peuvent fonctionner normalement à des températures élevées, et le la vie ne sera pas accélérée. Une température élevée n’est pas facile à provoquer des accidents d’emballement thermique.

La température de la batterie lithium-ion indique l’état thermique de la batterie, et son essence est le résultat de la génération de chaleur et du transfert de chaleur de la batterie lithium-ion. L’étude des caractéristiques thermiques des batteries lithium-ion, et de leurs caractéristiques de génération et de transfert de chaleur dans différentes conditions, peut nous faire prendre conscience de l’importance des réactions chimiques exothermiques à l’intérieur des batteries lithium-ion.

Les comportements dangereux des batteries lithium-ion, y compris la surcharge et la décharge excessive de la batterie, la charge et la décharge rapides, les courts-circuits, les conditions d’abus mécaniques et les chocs thermiques à haute température, peuvent facilement déclencher des réactions secondaires dangereuses à l’intérieur de la batterie et générer de la chaleur, détruisant directement le négatif et électrodes positives Film de passivation en surface.

Lorsque la température de la cellule atteint 130°C, le film SEI à la surface de l’électrode négative se décompose, provoquant l’exposition de l’électrode négative au lithium-carbone à haute activité à l’électrolyte pour subir une violente réaction d’oxydoréduction, et la chaleur qui se produit fait que la batterie entre dans un état à haut risque.

Lorsque la température interne de la batterie dépasse 200°C, le film de passivation sur la surface de l’électrode positive décompose l’électrode positive pour générer de l’oxygène et continue de réagir violemment avec l’électrolyte pour générer une grande quantité de chaleur et former une pression interne élevée . Lorsque la température de la batterie atteint plus de 240 °C, elle s’accompagne d’une violente réaction exothermique entre l’électrode négative en lithium carbone et le liant.

Le problème de température des batteries lithium-ion a un impact important sur la sécurité des batteries lithium-ion. L’environnement d’utilisation lui-même a une certaine température et la température de la batterie lithium-ion apparaîtra également lors de son utilisation. L’important est que la température aura un impact plus important sur la réaction chimique à l’intérieur de la batterie lithium-ion. Une température trop élevée peut même endommager la durée de vie de la batterie lithium-ion et, dans les cas graves, entraîner des problèmes de sécurité pour la batterie lithium-ion.

7. Bonne performance à basse température

Les batteries lithium-ion ont de bonnes performances à basse température, ce qui signifie qu’à basse température, les ions lithium et les matériaux d’électrode à l’intérieur de la batterie maintiennent toujours une activité élevée, une capacité résiduelle élevée, une dégradation de la capacité de décharge réduite et un taux de charge autorisé élevé.

Lorsque la température baisse, la capacité restante de la batterie lithium-ion se dégrade dans une situation accélérée. Plus la température est basse, plus la baisse de capacité est rapide. Le chargement forcé à basse température est extrêmement nocif et il est très facile de provoquer des accidents d’emballement thermique. À basse température, l’activité des ions lithium et des matériaux actifs des électrodes diminue et la vitesse à laquelle les ions lithium sont insérés dans le matériau de l’électrode négative est fortement réduite. Lorsque l’alimentation externe est chargée à une puissance dépassant la puissance admissible de la batterie, une grande quantité d’ions lithium s’accumule autour de l’électrode négative, et les ions lithium intégrés dans l’électrode sont trop tard pour obtenir des électrons et se déposer ensuite directement sur le surface de l’électrode pour former des cristaux élémentaires de lithium. La dendrite se développe, pénètre directement dans le diaphragme et perce l’électrode positive. Provoque un court-circuit entre les électrodes positive et négative, qui à son tour conduit à un emballement thermique.

En plus de la détérioration sévère de la capacité de décharge, les batteries lithium-ion ne peuvent pas être chargées à basse température. Lors de la charge à basse température, l’intercalation des ions lithium sur l’électrode en graphite de la batterie et la réaction de placage au lithium coexistent et se concurrencent. Dans des conditions de basse température, la diffusion des ions lithium dans le graphite est inhibée et la conductivité de l’électrolyte diminue, ce qui entraîne une diminution du taux d’intercalation et rend la réaction de placage de lithium plus susceptible de se produire à la surface du graphite. Les principales raisons de la diminution de la durée de vie des batteries lithium-ion lorsqu’elles sont utilisées à basse température sont l’augmentation de l’impédance interne et la dégradation de la capacité due à la précipitation des ions lithium.

8. Bonne sécurité

La sécurité des batteries lithium-ion comprend non seulement la stabilité des matériaux internes, mais également l’efficacité des mesures auxiliaires de sécurité des batteries. La sécurité des matériaux internes fait référence aux matériaux positifs et négatifs, diaphragme et électrolyte, qui ont une bonne stabilité thermique, une bonne compatibilité entre l’électrolyte et le matériau de l’électrode, et une bonne ignifugation de l’électrolyte lui-même. Les mesures auxiliaires de sécurité font référence à la conception de la soupape de sécurité de la cellule, à la conception du fusible, à la conception de la résistance sensible à la température et à la sensibilité appropriée. Après la défaillance d’une seule cellule, cela peut empêcher la propagation du défaut et servir à l’isolement.

9. Bonne cohérence

Grâce à « l’effet tonneau », nous comprenons l’importance de la cohérence de la batterie. La cohérence fait référence aux cellules de batterie utilisées dans la même batterie, la capacité, la tension en circuit ouvert, la résistance interne, l’autodécharge et d’autres paramètres sont extrêmement faibles et les performances sont similaires. Si la cohérence de la cellule de batterie avec ses propres excellentes performances n’est pas bonne, sa supériorité est souvent lissée après la formation du groupe. Des études ont montré que la capacité de la batterie après regroupement est déterminée par la plus petite cellule de capacité et que la durée de vie de la batterie est inférieure à la durée de vie de la cellule la plus courte.