מהן הדרישות לסוללות ליתיום-יון איכותיות? באופן כללי חיים ארוכים, צפיפות אנרגיה גבוהה וביצועי בטיחות מהימנים הם תנאי מוקדם למדידת סוללת ליתיום יון איכותית. סוללות ליתיום-יון משמשות כיום בכל ההיבטים של חיי היומיום, אך היצרן או המותג שונים. ישנם הבדלים מסוימים בחיי השירות וביצועי הבטיחות של סוללות ליתיום-יון, הקשורים קשר הדוק לתקני תהליך הייצור ולחומרי הייצור; התנאים הבאים חייבים להיות התנאים לליתיום-יון באיכות גבוהה;

1. חיי שירות ארוכים

חיי הסוללה המשנית כוללים שני אינדיקטורים: חיי מחזור וחיי לוח שנה. אורך חיי המחזור פירושו שאחרי שהסוללה חוותה את מספר המחזורים שהובטח על ידי היצרן, הקיבולת הנותרת עדיין גדולה או שווה ל -80%. אורך החיים הקלנדרי פירושו שהקיבולת הנותרת לא תפחת מ-80% בתוך פרק הזמן שהובטח על ידי היצרן, לא משנה אם נעשה בה שימוש או לא.

החיים הם אחד האינדיקטורים המרכזיים של סוללות ליתיום כוח. מצד אחד, הפעולה הגדולה של החלפת הסוללה באמת בעייתית וחוויית המשתמש לא טובה; מצד שני, ביסודו, החיים הם עניין של עלות.

אורך החיים של סוללת ליתיום-יון פירושו שהקיבולת של הסוללה יורדת לקיבולת הנומינלית (בטמפרטורת חדר של 25 מעלות צלזיוס, לחץ אטמוספרי סטנדרטי ו-70% מקיבולת הסוללה נפרקת ב-0.2 מעלות צלזיוס) לאחר תקופת שימוש. , והחיים יכולים להיחשב כסוף החיים. בתעשייה, חיי המחזור מחושבים בדרך כלל לפי מספר המחזורים של סוללות ליתיום-יון טעונות ומנותקות. בתהליך השימוש מתרחשת תגובה אלקטרוכימית בלתי הפיכה בתוך סוללת הליתיום-יון, המובילה לירידה בקיבולת, כגון פירוק האלקטרוליט, נטרול חומרים פעילים וקריסת מבני האלקטרודה החיוביים והשליליים. להוביל לירידה במספר יוני ליתיום אינטרקלציה ו-deintercalation. לַחֲכוֹת. ניסויים מראים ששיעור פריקה גבוה יותר יוביל להפחתת קיבולת מהירה יותר. אם זרם הפריקה נמוך, מתח הסוללה יהיה קרוב למתח שיווי המשקל, שיכול לשחרר יותר אנרגיה.

אורך החיים התיאורטי של סוללת ליתיום-יון משולשת הוא כ-800 מחזורים, שהוא בינוני מבין סוללות ליתיום-יון נטענות מסחריות. ליתיום ברזל פוספט הוא כ -2,000 מחזורים, בעוד שלליתיום טיטנאט אומרים שהוא יכול להגיע ל -10,000 מחזורים. כיום, יצרני הסוללות המיינסטרים מבטיחים יותר מ -500 פעמים (טעינה ופריקה בתנאים סטנדרטיים) במפרט תאי הסוללה הטרנרי שלהם. עם זאת, לאחר חיבור הסוללות לחבילת סוללות, בשל בעיות עקביות, הגורמים החשובים ביותר הם מתח ופנימי ההתנגדות לא יכולה להיות זהה לחלוטין, וחיי המחזור שלה הם כ -400 פעמים. חלון השימוש המומלץ ב-SOC הוא 10%~90%. טעינה ופריקה עמוקה אינה מומלצת, אחרת היא תגרום לנזק בלתי הפיך למבנה החיובי והשלילי של המצבר. אם הוא מחושב על ידי מטען רדוד ופריקה רדודה, חיי המחזור יהיו לפחות 1000 פעמים. בנוסף, אם סוללות ליתיום-יון מתרוקנות לעתים קרובות בסביבות בקצב גבוה ובטמפרטורות גבוהות, חיי הסוללה יצטמצמו באופן דרסטי לפי פחות מ-200.

2. פחות תחזוקה, עלות שימוש נמוכה יותר

לסוללה עצמה יש מחיר נמוך לקילוואט-שעה, שהיא העלות האינטואיטיבית ביותר. בנוסף לאמור, למשתמשים, האם העלות באמת נמוכה תלויה ב”עלות מחזור החיים המלא של החשמל “.

“עלות מחזור חיים מלא של חשמל”, ההספק הכולל של סוללת הליתיום הכוח מוכפל במספר המחזורים כדי לקבל את כמות הכוח הכוללת שניתן להשתמש בה במחזור החיים המלא של הסוללה, ואת המחיר הכולל של הסוללה. הסוללה מחולקת בסכום זה כדי לקבל את המחיר לקילוואט חשמל במחזור החיים המלא.

מחיר הסוללה שאנו מדברים עליו בדרך כלל, כמו 1,500 יואן/קוט”ש, מבוסס רק על סך האנרגיה של תא הסוללה החדש. למעשה, עלות החשמל ליחידת חיים היא היתרון הישיר של הלקוח הסופי. התוצאה הכי אינטואיטיבית היא שאם תרכשו שתי חבילות סוללות באותו הספק באותו מחיר, אחת תגיע לסוף החיים לאחר 50 פעמים של טעינה ופריקה, והשנייה ניתנת לשימוש חוזר לאחר 100 פעמים של טעינה ופריקה. ניתן לראות במבט אחד את שתי חבילות הסוללה הזולות יותר.

אם לומר זאת באופן בוטה, הוא בעל חיים ארוכים, עמיד ומוזיל עלויות.

בנוסף לשתי העלויות הנ”ל, יש לקחת בחשבון גם את עלות התחזוקה של הסוללה. כל שעליך לעשות הוא לשקול את העלות הראשונית, לבחור את התא הבעייתי, עלות התחזוקה המאוחרת ועלות העבודה גבוהות מדי. לגבי תחזוקת תא המצבר עצמו, חשוב להתייחס לאיזון ידני. פונקציית ההשוואה המובנית של BMS מוגבלת בגודל זרם ההשוואה העיצובי שלה, וייתכן שלא תוכל להשיג את האיזון האידיאלי בין התאים. ככל שיצטבר הזמן, הבעיה של הפרש לחץ יתר בחבילת הסוללה תתרחש. במצבים כאלה, יש לבצע איזון ידני, ותאי הסוללה עם מתח נמוך מדי נטענים בנפרד. ככל שתדירות המצב הזו נמוכה יותר, כך עלות התחזוקה נמוכה יותר.

3. צפיפות אנרגיה גבוהה/צפיפות הספק גבוהה

צפיפות אנרגיה מתייחסת לאנרגיה הכלולה ביחידת משקל או יחידת נפח; האנרגיה החשמלית המשתחררת על ידי נפח היחידה או המסה הממוצעת של סוללה. באופן כללי, באותו נפח, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון היא פי 2.5 מזו של סוללות ניקל-קדמיום ופי 1.8 של סוללות ניקל-מימן. לכן, כאשר קיבולת הסוללה שווה, סוללות ליתיום-יון יהיו טובות יותר מסוללות ניקל-קדמיום וניקל-מימן. גודל קטן יותר ומשקל קל יותר.

צפיפות אנרגיית הסוללה = קיבולת הסוללה × פלטפורמת פריקה/עובי הסוללה/רוחב הסוללה/אורך הסוללה.

צפיפות ההספק מתייחסת לערך הספק המרבי המרבי ליחידת משקל או נפח. במרחב המוגבל של רכבי כביש, רק על ידי הגדלת הצפיפות ניתן לשפר את האנרגיה הכוללת והעוצמה הכוללת ביעילות. בנוסף, סובסידיות המדינה הנוכחיות משתמשות בצפיפות האנרגיה ובצפיפות ההספק כסף למדידת רמת הסובסידיות, מה שמחזק עוד יותר את חשיבות הצפיפות.

עם זאת, קיימת סתירה מסוימת בין צפיפות האנרגיה לבטיחות. ככל שצפיפות האנרגיה תגדל, הבטיחות תמיד תתמודד עם אתגרים חדשים וקשים יותר.

4. מתח גבוה

מכיוון שאלקטרודות הגרפיט משמשות בעצם כחומרי אנודה, המתח של סוללות ליתיום-יון נקבע בעיקר על פי מאפייני החומרים של חומרי הקתודה. הגבול העליון של המתח של ליתיום ברזל פוספט הוא 3.6V, והמתח המרבי של סוללות ליתיום וליתיום מנגנט טרינריות הוא כ-4.2V (החלק הבא יסביר מדוע המתח המרבי של סוללת Li-ion אינו יכול לעלות על 4.2V ). פיתוח סוללות מתח גבוה הוא מסלול טכני לסוללות ליתיום-יון להגברת צפיפות האנרגיה. להגברת מתח המוצא של התא נדרש חומר אלקטרודה חיובי בעל פוטנציאל גבוה, חומר אלקטרודה שלילי בעל פוטנציאל נמוך ואלקטרוליט בעל מתח גבוה יציב.

5. יעילות אנרגטית גבוהה

יעילות קולומב, הנקראת גם יעילות טעינה, מתייחסת ליחס בין קיבולת פריקת הסוללה ליכולת הטעינה במהלך אותו מחזור. כלומר, אחוז היכולת הספציפית לפריקה לטעינת קיבולת ספציפית.

עבור חומר האלקטרודה החיובית, זוהי יכולת החדרת הליתיום/קיבולת הדליתיום, כלומר, יכולת הפריקה/יכולת הטעינה; עבור חומר האלקטרודה השלילי, זוהי יכולת הסרת ליתיום/יכולת הכנסת ליתיום, כלומר קיבולת הפריקה/טעינה.

במהלך תהליך הטעינה, אנרגיה חשמלית הופכת לאנרגיה כימית, ובמהלך תהליך הפריקה אנרגיה כימית הופכת לאנרגיה חשמלית. ישנה יעילות מסוימת בכניסה ויציאה של אנרגיה חשמלית במהלך שני תהליכי ההמרה, ויעילות זו משקפת ישירות את ביצועי הסוללה.

מנקודת המבט של הפיזיקה המקצועית, יעילות קולומב ויעילות אנרגטית שונים. האחד הוא יחס החשמל והשני הוא יחס העבודה.

היעילות האנרגטית של סוללת האחסון ויעילות הקולומב, אבל מהביטוי המתמטי, יש קשר מתח בין השניים. המתח הממוצע של הטעינה והפריקה אינו שווה, המתח הממוצע של הפריקה פחות בדרך כלל מהמתח הטעינה הממוצע

ניתן לשפוט את ביצועי הסוללה לפי יעילות האנרגיה של הסוללה. משימור האנרגיה, האנרגיה החשמלית האבודה הופכת בעיקר לאנרגיית חום. לכן יעילות האנרגיה יכולה לנתח את החום שנוצר על ידי הסוללה במהלך תהליך העבודה, ולאחר מכן ניתן לנתח את הקשר בין התנגדות פנימית לחום. וידוע כי יעילות אנרגטית יכולה לחזות את שאר האנרגיה של הסוללה ולנהל את השימוש הרציונלי בסוללה.

מכיוון שכוח הקלט לרוב אינו משמש להמרת החומר הפעיל למצב טעון, אלא חלק ממנו נצרך (לדוגמה, מתרחשות תגובות לוואי בלתי הפיכות), כך שיעילות הקולומב לרוב נמוכה מ-100%. אך בכל הנוגע לסוללות הליתיום-יון הנוכחיות, יעילות קולומב יכולה בעצם להגיע ל -99.9% ומעלה.

גורמים משפיעים: פירוק אלקטרוליטים, פסיבציה של ממשק, שינויים במבנה, מורפולוגיה ומוליכות של חומרים פעילים אלקטרודה יפחיתו את יעילות הקולומב.

בנוסף, ראוי להזכיר כי ריקבון הסוללה משפיע מעט על יעילות קולומב ואין לו קשר לטמפרטורה.

צפיפות הזרם משקפת את גודל הזרם העובר ליחידת שטח. ככל שצפיפות הזרם עולה, הזרם שעוברת הערימה עולה, יעילות המתח יורדת עקב התנגדות פנימית, ויעילות הקולומב יורדת עקב קיטוב הריכוז וסיבות אחרות. בסופו של דבר להוביל לירידה ביעילות האנרגיה.

6. ביצועים טובים בטמפרטורה גבוהה

לסוללות ליתיום יון יש ביצועים טובים בטמפרטורה גבוהה, כלומר ליבת הסוללה נמצאת בסביבה בטמפרטורה גבוהה יותר, והחומרים החיוביים והשליליים של הסוללה, מפרידים ואלקטרוליט יכולים גם לשמור על יציבות טובה, יכולים לפעול כרגיל בטמפרטורות גבוהות, וה החיים לא יואצו. טמפרטורה גבוהה לא קלה לגרום לתאונות בריחה תרמיות.

הטמפרטורה של סוללת הליתיום-יון מציגה את המצב התרמי של הסוללה, ומהותה היא תוצאה של ייצור החום והעברת החום של סוללת הליתיום-יון. לימוד המאפיינים התרמיים של סוללות ליתיום-יון, ומאפייני יצירת החום שלהם והעברת החום בתנאים שונים, יכולים לגרום לנו להבין את הדרך החשובה של תגובות כימיות אקסותרמיות בתוך סוללות ליתיום-יון.

התנהגויות לא בטוחות של סוללות ליתיום-יון, כולל טעינת יתר וטעינה יתר של הסוללה, טעינה ופריקה מהירה, קצר חשמלי, תנאי התעללות מכנית והלם תרמי בטמפרטורה גבוהה, יכולות לעורר בקלות תגובות צד מסוכנות בתוך הסוללה וליצור חום, להרוס ישירות את השלילי וה אלקטרודות חיוביות סרט פסיבציה על פני השטח.

כאשר טמפרטורת התא עולה ל -130 מעלות צלזיוס, סרט ה- SEI על פני האלקטרודה השלילית מתפרק וגורם לאלקטרליט השלילי בפחמן שלילי ליתיום בפחמן להיחשף לאלקטרוליט לעבור תגובת הפחתת חמצון אלימה, והחום קורה גורם לסוללה להיכנס למצב בסיכון גבוה.

כאשר הטמפרטורה הפנימית של הסוללה עולה מעל 200 מעלות צלזיוס, סרט הפסיבציה על פני האלקטרודה החיובית מפרק את האלקטרודה החיובית ליצירת חמצן, וממשיך להגיב באלימות עם האלקטרוליט ליצירת כמות גדולה של חום וליצירת לחץ פנימי גבוה. . כאשר טמפרטורת הסוללה מגיעה ל -240 מעלות צלזיוס, היא מלווה בתגובה אקסותרמית אלימה בין האלקטרודה השלילית של פחמן ליתיום לבין הקלסר.

לבעיית הטמפרטורה של סוללות ליתיום-יון יש השפעה רבה על הבטיחות של סוללות ליתיום-יון. לסביבת השימוש עצמה יש טמפרטורה מסוימת, וגם הטמפרטורה של סוללת הליתיום יון תופיע בעת השימוש בה. הדבר החשוב הוא שלטמפרטורה תהיה השפעה גדולה יותר על התגובה הכימית בתוך סוללת הליתיום-יון. טמפרטורה גבוהה מדי עלולה אף לפגוע בחיי השירות של סוללת הליתיום-יון, ובמקרים חמורים היא תגרום לבעיות בטיחות של סוללת הליתיום-יון.

7. ביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה

לסוללות ליתיום-יון יש ביצועים טובים בטמפרטורות נמוכות, מה שאומר שבטמפרטורות נמוכות, יוני הליתיום וחומרי האלקטרודה בתוך הסוללה עדיין שומרים על פעילות גבוהה, קיבולת שיורית גבוהה, ירידה בקיבולת פריקה מופחתת וקצב טעינה מותר גדול.

כשהטמפרטורה יורדת, הקיבולת הנותרת של סוללת הליתיום-יון מתפוררת למצב מואץ. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך ירידת הקיבולת מהירה יותר. טעינה בכפייה בטמפרטורות נמוכות היא מזיקה ביותר, וקל מאוד לגרום לתאונות בורחות תרמיות. בטמפרטורות נמוכות, הפעילות של יוני ליתיום וחומרים פעילים באלקטרודה פוחתת, והקצב שבו מוחדרים יוני ליתיום לחומר האלקטרודה השלילי מצטמצם קשות. כאשר ספק הכוח החיצוני נטען בהספק העולה על ההספק המותר של הסוללה, כמות גדולה של יוני ליתיום מצטברת סביב האלקטרודה השלילית, ויוני הליתיום המוטבעים באלקטרודה מאוחרים מדי לקבל אלקטרונים ולאחר מכן מושקעים ישירות על גבי האלקטרודה. משטח האלקטרודה ליצירת גבישי אלמנט ליתיום. הדנדריט גדל, חודר ישירות לסרעפת וחודר את האלקטרודה החיובית. גורם לקצר חשמלי בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, אשר בתורו מוביל לבריחה תרמית.

בנוסף להידרדרות החמורה של קיבולת הפריקה, לא ניתן לטעון סוללות ליתיום-יון בטמפרטורות נמוכות. במהלך טעינה בטמפרטורה נמוכה, אינטראקציה של יוני ליתיום באלקטרודת הגרפיט של הסוללה ותגובת ציפוי הליתיום מתקיימות ומתחרות זו בזו. בתנאים של טמפרטורה נמוכה, דיפוזיה של יוני ליתיום בגרפיט מעוכבת, והמוליכות של האלקטרוליט יורדת, מה שמוביל לירידה בקצב האינטראקלציה וגורם לתגובת ציפוי הליתיום להתרחש על פני השטח הגרפיט. הסיבות העיקריות לירידה בחייהן של סוללות ליתיום-יון בעת ​​שימוש בטמפרטורות נמוכות הן עליית העכבה הפנימית והידרדרות הקיבולת עקב משקעים של יוני ליתיום.

8. אבטחה טובה

בטיחות סוללות הליתיום-יון כוללת לא רק את יציבות החומרים הפנימיים, אלא גם את האפקטיביות של אמצעי העזר לבטיחות הסוללה. בטיחות החומרים הפנימיים מתייחסת לחומרים החיוביים והשליליים, הסרעפת ואלקטרוליט, בעלי יציבות תרמית טובה, תאימות טובה בין האלקטרוליט לחומר האלקטרודה, ומעכבות בעירה טובה של האלקטרוליט עצמו. אמצעי עזר בטיחותיים מתייחסים לעיצוב שסתום הבטיחות של התא, לעיצוב הנתיך, לעיצוב ההתנגדות הרגישה לטמפרטורה והרגישות מתאימה. לאחר כשל של תא בודד, הוא יכול למנוע מהתקלה להתפשט ולשרת את מטרת הבידוד.

9. עקביות טובה

באמצעות “אפקט החבית” אנו מבינים את חשיבות עקביות הסוללה. עקביות מתייחסת לתאי הסוללה המשמשים באותה ערכת סוללות, הקיבולת, מתח המעגל הפתוח, ההתנגדות הפנימית, הפריקה העצמית ופרמטרים נוספים קטנים ביותר, והביצועים דומים. אם העקביות של תא הסוללה עם ביצועים מצוינים משלו אינה טובה, העליונות שלו מוחלקת לעתים קרובות לאחר יצירת הקבוצה. מחקרים הראו כי קיבולת מארז הסוללות לאחר הקיבוץ נקבעת על ידי התא בעל הקיבולת הקטנה ביותר, וחיי האריזה פחות מחייו של התא הקצר ביותר.