על פי הדרישות של חברי הקבוצה, דברו על ההבנה של טעינה מהירה של סוללת ליתיום:

התמונה

השתמש בתרשים זה כדי להמחיש את תהליך טעינת הסוללה. האבשיסה היא זמן והאורדינטה היא מתח. בשלב הטעינה הראשונית של סוללת ליתיום, יהיה תהליך טעינה מוקדמת זרם קטן, כלומר טעינה מוקדמת CC, שמטרתו לייצב את חומרי האנודה והקתודה. לאחר מכן, ניתן להתאים את הסוללה לטעינה בזרם גבוה, כלומר CC Fast Charge, לאחר שהסוללה יציבה. לבסוף, הוא נכנס למצב טעינת מתח קבוע (CV). עבור סוללת ליתיום, המערכת מתחילה במצב טעינת מתח קבוע כאשר המתח מגיע ל-4.2V, וזרם הטעינה יורד בהדרגה עד לסיום הטעינה כאשר המתח נמוך מערך מסוים.

במהלך כל התהליך, ישנם זרמי טעינה סטנדרטיים שונים עבור סוללות שונות. לדוגמה, עבור מוצרי 3C, זרם הטעינה הסטנדרטי הוא בדרך כלל 0.1C-0.5C, בעוד שלסוללות בעלות הספק גבוה, הטעינה הסטנדרטית היא בדרך כלל 1C. זרם הטעינה הנמוך נחשב גם לבטיחות הסוללה. אז, נניח בזמנים רגילים טעינה מהירה, זה להצביע על זרם טעינה גבוה פי כמה מזרם הטעינה הרגיל לעשרות מונים.

יש אנשים שאומרים שטעינת סוללות ליתיום היא כמו מזיגת בירה, מהירה ומילוי בירה מהר, אבל עם הרבה קצף. זה איטי, זה איטי, אבל זה הרבה בירה, זה מוצק. טעינה מהירה לא רק חוסכת זמן טעינה, אלא גם פוגעת בסוללה עצמה. עקב תופעת הקיטוב בסוללה, זרם הטעינה המרבי שהיא יכולה לקבל יקטן עם עליית מחזור הטעינה והפריקה. כאשר הטעינה הרציפה וזרם הטעינה גדולים, ריכוז היונים באלקטרודה עולה והקיטוב מתעצם, ומתח מסוף הסוללה אינו יכול להתאים ישירות למטען/אנרגיה ביחס ליניארי. במקביל, טעינת זרם גבוהה, הגדלת ההתנגדות הפנימית תוביל להגברת אפקט החימום של ג’ול (Q=I2Rt), שיביא לתגובות לוואי, כגון פירוק תגובה של אלקטרוליט, ייצור גז וסדרה של בעיות, גורם הסיכון גדל בפתאומיות, משפיע על בטיחות הסוללה, אורך החיים של סוללה שאינה מתחזקת יתקצר מאוד.

01

חומר האנודה

תהליך הטעינה המהיר של סוללת ליתיום הוא ההגירה וההטמעה המהירה של Li+ בחומר האנודה. גודל החלקיקים של חומר הקתודה יכול להשפיע על זמן התגובה ונתיב הדיפוזיה של יונים בתהליך האלקטרוכימי של הסוללה. על פי מחקרים, מקדם הדיפוזיה של יוני ליתיום עולה עם הירידה בגודל הגרגיר של החומר. עם זאת, עם הירידה בגודל חלקיקי החומר, תהיה צבירה רצינית של חלקיקים בייצור העיסה, וכתוצאה מכך לפיזור לא אחיד. יחד עם זאת, ננו-חלקיקים יפחיתו את צפיפות הדחיסה של יריעת האלקטרודה, ויגדילו את שטח המגע עם האלקטרוליט בתהליך של תגובה צדדית של טעינה ופריקה, מה שמשפיע על ביצועי הסוללה.

השיטה האמינה יותר היא לשנות את חומר האלקטרודה החיובית על ידי ציפוי. לדוגמה, המוליכות של LFP עצמה אינה טובה במיוחד. ציפוי פני השטח של LFP בחומר פחמן או חומרים אחרים יכול לשפר את המוליכות שלו, מה שתורם לשיפור ביצועי הטעינה המהירה של הסוללה.

02

חומרים לאנודה

טעינה מהירה של סוללת ליתיום פירושה שיוני ליתיום יכולים לצאת במהירות ו”לשחות” אל האלקטרודה השלילית, מה שדורש מחומר הקתודה יכולת הטמעה מהירה של ליתיום. חומרי האנודה המשמשים לטעינה מהירה של סוללת ליתיום כוללים חומרי פחמן, ליתיום טיטנאט ועוד כמה חומרים חדשים.

עבור חומרי פחמן, יוני ליתיום מוטבעים בגרפיט בתנאי טעינה קונבנציונלית מכיוון שהפוטנציאל של הטבעת ליתיום דומה לזה של משקעי ליתיום. עם זאת, בתנאי טעינה מהירה או טמפרטורה נמוכה, יוני ליתיום עלולים לזרז על פני השטח וליצור ליתיום דנדריט. כאשר דנדריט ליתיום ניקב את SEI, נגרם אובדן משני של Li+ וקיבולת הסוללה הצטמצמה. כאשר מתכת הליתיום תגיע לרמה מסוימת, היא תגדל מהאלקטרודה השלילית לסרעפת, מה שיגרום לסיכון לקצר בסוללה.

באשר ל-LTO, הוא שייך לחומר האנודה המכיל חמצן “אפס”, שאינו מייצר SEI בזמן פעולת הסוללה, ובעל יכולת קשירה חזקה יותר עם ליתיום יון, שיכול לעמוד בדרישות של טעינה ושחרור מהירים. יחד עם זאת, מכיוון שלא ניתן ליצור SEI, חומר האנודה ייצור קשר ישיר עם האלקטרוליט, מה שמקדם את התרחשותן של תגובות לוואי. לא ניתן לפתור את הבעיה של ייצור גז סוללות LTO, וניתן להקל עליה רק ​​על ידי שינוי פני השטח.

03

נוזל אלקטרודה

כפי שצוין לעיל, בתהליך של טעינה מהירה, עקב חוסר העקביות של קצב נדידת יוני הליתיום וקצב העברת האלקטרונים, יהיה לסוללה קיטוב גדול. אז על מנת למזער את התגובה השלילית הנגרמת על ידי קיטוב הסוללה, יש צורך בשלוש הנקודות הבאות לפיתוח האלקטרוליט: 1, מלח אלקטרוליט בעל ניתוק גבוה; 2, מרוכב ממס – צמיגות נמוכה יותר; 3, בקרת ממשק – עכבת ממברנה נמוכה יותר.

04

הקשר בין טכנולוגיית ייצור למילוי מהיר

לפני כן, הדרישות וההשפעות של מילוי מהיר נותחו משלושה חומרי מפתח, כגון חומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים ונוזל אלקטרודה. להלן תכנון התהליך שיש לו השפעה גדולה יחסית. הפרמטרים הטכנולוגיים של ייצור הסוללה משפיעים ישירות על עמידות הנדידה של יוני ליתיום בכל חלק של הסוללה לפני ואחרי הפעלת הסוללה, כך שלפרמטרים הטכנולוגיים של הכנת הסוללה יש השפעה חשובה על הביצועים של סוללת ליתיום יון.

(1) slurry

עבור המאפיינים של slurry, מצד אחד, יש צורך לשמור על הסוכן המוליך מפוזר באופן שווה. מכיוון שהחומר המוליך מפוזר באופן שווה בין חלקיקי החומר הפעיל, יכולה להיווצר רשת מוליכה אחידה יותר בין החומר הפעיל והחומר הפעיל לבין נוזל הקולט, אשר תפקידו לאסוף מיקרו זרם, להפחית את התנגדות המגע, ויכול לשפר את קצב התנועה של אלקטרונים. מצד שני הוא למנוע פיזור יתר של חומר מוליך. בתהליך הטעינה והפריקה ישתנה מבנה הגביש של חומרי האנודה והקתודה, מה שעלול לגרום להתקלפות של חומר מוליך, להגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה ולהשפיע על הביצועים.

(2) צפיפות חלקית ביותר

בתיאוריה, סוללות מכפיל וסוללות בעלות קיבולת גבוהה אינן תואמות. כאשר צפיפות הקיטוב של האלקטרודות החיוביות והשליליות נמוכה, ניתן להגביר את מהירות הדיפוזיה של יוני ליתיום, ולהפחית את ההתנגדות לנדידת יונים ואלקטרונים. ככל שצפיפות פני השטח נמוכה יותר, האלקטרודה דקה יותר, וגם השינוי במבנה האלקטרודה הנגרם מהחדרה ושחרור מתמשכים של יוני ליתיום במטען ופריקה קטן יותר. עם זאת, אם צפיפות פני השטח נמוכה מדי, צפיפות האנרגיה של הסוללה תפחת והעלות תגדל. לכן, יש לשקול באופן מקיף את צפיפות פני השטח. האיור הבא הוא דוגמה לטעינת סוללת ליתיום קובלט ב-6C ופריקה ב-1C.

התמונה

(3) עקביות ציפוי חתיכת קוטב

בעבר, שאל חבר, האם לחוסר עקביות בצפיפות חלקית תהיה השפעה על הסוללה? כאן אגב, לביצועי טעינה מהירה, העיקר הוא העקביות של לוח האנודה. אם צפיפות פני השטח השלילית אינה אחידה, הנקבוביות הפנימית של החומר החי תשתנה מאוד לאחר הגלגול. ההבדל בנקבוביות יוביל להבדל של חלוקת הזרם הפנימי, אשר ישפיע על היווצרות וביצועי SEI בשלב היווצרות הסוללה, ובסופו של דבר ישפיע על ביצועי הטעינה המהירה של הסוללה.

(4) צפיפות דחיסה של יריעת מוט

למה צריך לדחוס עמודים? האחד הוא לשפר את האנרגיה הספציפית של הסוללה, השני הוא לשפר את הביצועים של הסוללה. צפיפות הדחיסה האופטימלית משתנה בהתאם לחומר האלקטרודה. עם הגדלת צפיפות הדחיסה, ככל שהנקבוביות של יריעת האלקטרודות קטנה יותר, כך החיבור בין החלקיקים קרוב יותר, ועובי יריעת האלקטרודה תחת אותה צפיפות פני השטח קטן יותר, כך שניתן להפחית את נתיב הנדידה של יוני ליתיום. כאשר צפיפות הדחיסה גדולה מדי, השפעת החדירה של אלקטרוליט אינה טובה, מה שעלול להרוס את מבנה החומר ואת התפלגות החומר המוליך, ותתרחש בעיית הפיתול המאוחרת יותר. באופן דומה, סוללת ליתיום קובלט נטענת ב-6C ונפרקת ב-1C, והשפעת צפיפות הדחיסה על קיבולת הפריקה הספציפית מוצגת כדלקמן:

התמונה

05

היווצרות הזדקנות ואחרים

עבור סוללת פחמן שלילית, היווצרות – הזדקנות היא תהליך המפתח של סוללת ליתיום, אשר ישפיע על איכות ה-SEI. העובי של SEI אינו אחיד או שהמבנה אינו יציב, מה שישפיע על יכולת הטעינה המהירה וחיי המחזור של הסוללה.

בנוסף למספר גורמים חשובים לעיל, לייצור של מערכת תא, טעינה ופריקה תהיה השפעה רבה על הביצועים של סוללת ליתיום. עם הארכת זמן השירות, יש להפחית במידה מתונה את קצב טעינת הסוללה, אחרת הקיטוב יחמיר.

מסקנה

המהות של טעינה ופריקה מהירה של סוללות ליתיום היא שניתן לפרק את יוני הליתיום במהירות בין חומרי האנודה והקתודה. תכונות החומר, עיצוב התהליך ומערכת הטעינה והפריקה של סוללות משפיעים כולם על הביצועים של טעינת זרם גבוה. היציבות המבנית של חומרי האנודה והאנודה תורמת לתהליך הדליתיום המהיר מבלי לגרום לקריסה מבנית, יוני ליתיום בקצב דיפוזיה של החומר מהיר יותר, על מנת לעמוד בטעינת זרם גבוהה. בשל חוסר ההתאמה בין מהירות נדידת היונים וקצב העברת האלקטרונים, קיטוב יתרחש בתהליך הטעינה והפריקה, ולכן יש למזער את הקיטוב כדי למנוע משקעים של מתכת ליתיום ולהפחית את היכולת להשפיע על החיים.