סוללות ליתיום-יון נקראות סוללות מסוג “כיסא נדנדה”. יונים טעונים נעים בין האלקטרודות החיוביות והשליליות כדי לממש העברת מטען ולספק כוח למעגלים חיצוניים או מטען ממקור מתח חיצוני.

בתהליך הטעינה הספציפי מופעל המתח החיצוני על שני הקטבים של הסוללה, ויוני הליתיום מופקים מחומר האלקטרודה החיובית ונכנסים לאלקטרוליט. במקביל, עודפי אלקטרונים עוברים דרך אספן הזרם החיובי ועוברים אל האלקטרודה השלילית דרך המעגל החיצוני; יוני הליתיום נמצאים באלקטרוליט. הוא נע מהאלקטרודה החיובית אל האלקטרודה השלילית, עובר דרך הסרעפת אל האלקטרודה השלילית; סרט ה-SEI העובר דרך פני האלקטרודה השלילית מוטבע במבנה השכבות הגרפיט של האלקטרודה השלילית ומתחבר עם אלקטרונים.

לאורך פעולת היונים והאלקטרונים, מבנה הסוללה המשפיע על העברת המטען, בין אם הוא אלקטרוכימי או פיזי, ישפיע על ביצועי הטעינה המהירה.

הדרישות של טעינה מהירה לכל חלקי הסוללה

לגבי סוללות, אם אתה רוצה לשפר את ביצועי הכוח, עליך לעבוד קשה בכל ההיבטים של הסוללה, כולל האלקטרודה החיובית, האלקטרודה השלילית, האלקטרוליט, המפריד והעיצוב המבני.

אלקטרודה חיובית

למעשה, כמעט כל מיני חומרי קתודה יכולים לשמש לייצור סוללות בטעינה מהירה. המאפיינים החשובים שיש להבטיח כוללים מוליכות (הפחתת התנגדות פנימית), דיפוזיה (הבטחת קינטיקה של תגובה), חיים (אל תסביר) ובטיחות (אל תסביר), ביצועי עיבוד נאותים (שטח הפנים הספציפי לא צריך להיות מדי גדול כדי להפחית תגובות לוואי ולשרת בטיחות).

כמובן, הבעיות שיש לפתור עבור כל חומר ספציפי עשויות להיות שונות, אך חומרי הקתודה הנפוצים שלנו יכולים לעמוד בדרישות הללו באמצעות סדרה של אופטימיזציות, אך גם חומרים שונים שונים:

א. פוספט ליתיום ברזל עשוי להיות ממוקד יותר בפתרון הבעיות של מוליכות וטמפרטורה נמוכה. ביצוע ציפוי פחמן, ננואיזציה מתונה (שימו לב שהוא מתון, זה בהחלט היגיון לא פשוט שככל שהוא עדין יותר טוב), ויצירת מוליכים יונים על פני החלקיקים הם האסטרטגיות האופייניות ביותר.

ב. לחומר הטרינרי עצמו יש מוליכות חשמלית טובה יחסית, אך התגובתיות שלו גבוהה מדי, ולכן חומרים משולשים כמעט ולא מבצעים עבודה בקנה מידה ננו (ננו-איזון אינו תרופה דמוית תרופת פלא לשיפור ביצועי החומר, במיוחד ב- תחום הסוללות יש לפעמים אנטי-שימושים רבים בסין), ותשומת לב רבה יותר מוקדשת לבטיחות ודיכוי תגובות לוואי (עם אלקטרוליט). אחרי הכל, החיים הנוכחיים של חומרים משולשים טמונים בבטיחות, וגם תאונות בטיחות סוללות לאחרונה התרחשו לעתים קרובות. הציגו דרישות גבוהות יותר.

ג. ליתיום מנגנט חשוב יותר מבחינת חיי השירות. יש גם הרבה סוללות מבוססות ליתיום מנגנט לטעינה מהירה בשוק.

אלקטרודה שלילית

כאשר סוללת ליתיום-יון נטענת, ליתיום נודד אל האלקטרודה השלילית. הפוטנציאל הגבוה מדי הנגרם מטעינה מהירה וזרם גדול יגרום לפוטנציאל האלקטרודה השלילי להיות שלילי יותר. בשלב זה, הלחץ של האלקטרודה השלילית לקבל במהירות ליתיום יגדל, והנטייה ליצור דנדריטים של ליתיום תגדל. לכן, האלקטרודה השלילית חייבת לא רק לספק את פיזור הליתיום במהלך טעינה מהירה. דרישות הקינטיקה של סוללת הליתיום יון חייבות גם לפתור את בעיית הבטיחות הנגרמת כתוצאה מהנטייה המוגברת של דנדריטים ליתיום. לכן, הקושי הטכני החשוב של ליבת הטעינה המהירה הוא החדרת יוני ליתיום באלקטרודה השלילית.

א. נכון להיום, חומר האלקטרודה השלילי השולט בשוק הוא עדיין גרפיט (מהווה כ-90% מנתח השוק). הסיבה הבסיסית היא זולה, וביצועי העיבוד המקיפים וצפיפות האנרגיה של גרפיט טובים יחסית, עם מעט חסרונות יחסית. . כמובן, יש גם בעיות עם האלקטרודה השלילית גרפיט. פני השטח רגישים יחסית לאלקטרוליט, ולתגובת הליתיום אינטרקלציה יש כיווניות חזקה. לכן, חשוב לעבוד קשה כדי לשפר את היציבות המבנית של משטח הגרפיט ולקדם דיפוזיה של יוני ליתיום על המצע. כיוון.

ב. גם חומרי פחמן קשיח וחומרי פחמן רך זכו להתפתחות רבה בשנים האחרונות: לחומרי פחמן קשיח יש פוטנציאל החדרת ליתיום גבוה ויש להם מיקרו-נקבים בחומרים, כך שקינטיקה של התגובה טובה; ולחומרי פחמן רכים יש תאימות טובה לאלקטרוליט, MCMB החומרים גם מאוד מייצגים, אבל חומרי פחמן קשיחים ורכים הם בדרך כלל נמוכים ביעילות ובעלות גבוהה (ותארו לעצמכם שגרפיט הוא אותו זול, אני חושש שזה לא מעורר תקווה מנקודת מבט תעשייתית), כך שהצריכה הנוכחית היא הרבה פחות מגרפיט, ויותר בשימוש בכמה התמחויות על הסוללה.

ג מה לגבי ליתיום טיטנאט? בקיצור: היתרונות של ליתיום טיטנאט הם צפיפות הספק גבוהה, בטוחה יותר וחסרונות ברורים. צפיפות האנרגיה נמוכה מאוד, והעלות גבוהה בחישוב ב-Wh. לכן, נקודת המבט של סוללת ליתיום טיטנאט היא טכנולוגיה שימושית עם יתרונות באירועים ספציפיים, אך היא אינה מתאימה לאירועים רבים הדורשים עלות גבוהה וטווח שיוט.

D. חומרי אנודה מסיליקון הם כיוון פיתוח חשוב, וסוללת 18650 החדשה של פנסוניק החלה בתהליך מסחרי של חומרים כאלה. עם זאת, כיצד להשיג איזון בין השאיפה לביצועי ננומטר לבין הדרישות הכלליות ברמת המיקרון של חומרים הקשורים לתעשיית הסוללות היא עדיין משימה מאתגרת יותר.

סרעפת

לגבי סוללות מסוג הספק, פעולה עם זרם גבוה מטילה דרישות גבוהות יותר לבטיחותן ולתוחלת החיים שלהן. לא ניתן לעקוף את טכנולוגיית ציפוי הדיאפרגמה. דיאפרגמות מצופות קרמיקה נדחקות החוצה במהירות בגלל הבטיחות הגבוהה שלהן והיכולת לצרוך זיהומים באלקטרוליט. במיוחד, ההשפעה של שיפור הבטיחות של סוללות טרינריות היא משמעותית במיוחד.

המערכת החשובה ביותר המשמשת כיום עבור דיאפרגמות קרמיות היא ציפוי חלקיקי אלומינה על פני השטח של דיאפרגמות מסורתיות. שיטה חדשה יחסית היא ציפוי סיבי אלקטרוליט מוצקים על הסרעפת. לסרעפות כאלה יש התנגדות פנימית נמוכה יותר, והשפעת התמיכה המכנית של דיאפרגמות הקשורות לסיבים טובה יותר. מצוין, ויש לו נטייה נמוכה יותר לחסום את נקבוביות הסרעפת במהלך השירות.

לאחר הציפוי, לסרעפת יש יציבות טובה. גם אם הטמפרטורה גבוהה יחסית, לא קל להתכווץ ולעוות ולגרום לקצר חשמלי. Jiangsu Qingtao Energy Co., Ltd נתמכת על ידי התמיכה הטכנית של קבוצת המחקר Nan Cewen של בית הספר לחומרים וחומרים של אוניברסיטת Tsinghua יש נציגים בהקשר זה. עובד, הדיאפרגמה מוצגת באיור למטה.

אלקטרוליט

לאלקטרוליט יש השפעה רבה על הביצועים של סוללות ליתיום-יון בטעינה מהירה. כדי להבטיח את היציבות והבטיחות של הסוללה בטעינה מהירה ובזרם גבוה, האלקטרוליט חייב לעמוד במאפיינים הבאים: א) לא ניתן לפירוק, ב) מוליכות גבוהה, ו-C) אינרטי לחומרים החיוביים והשליליים. להגיב או להתמוסס.

אם אתה רוצה לעמוד בדרישות אלה, המפתח הוא להשתמש בתוספים ובאלקטרוליטים פונקציונליים. כך למשל, בטיחותן של סוללות טרינריות בטעינה מהירה מושפעת מכך מאוד, ויש צורך להוסיף להן תוספים שונים נגד טמפרטורות גבוהות, מעכבי בעירה ונגד טעינת יתר כדי לשפר את בטיחותן במידה מסוימת. הבעיה הישנה והקשה של סוללות ליתיום טיטנאט, גזים בטמפרטורה גבוהה, צריכה להשתפר גם על ידי אלקטרוליט פונקציונלי בטמפרטורה גבוהה.

עיצוב מבנה הסוללה

אסטרטגיית אופטימיזציה טיפוסית היא סוג הפיתול המוערם VS. האלקטרודות של הסוללה המוערמת שוות ערך ליחס מקביל, וסוג הפיתול שווה ערך לחיבור סדרתי. לכן, ההתנגדות הפנימית של הראשון קטנה בהרבה והיא מתאימה יותר לסוג הכוח. הִזדַמְנוּת.

בנוסף, ניתן לעשות מאמצים במספר הלשוניות לפתור את הבעיות של התנגדות פנימית ופיזור חום. בנוסף, שימוש בחומרי אלקטרודה בעלי מוליכות גבוהה, שימוש בחומרים מוליכים יותר וציפוי אלקטרודות דקות יותר הן גם אסטרטגיות שניתן לשקול.

בקיצור, הגורמים המשפיעים על תנועת הטעינה בתוך הסוללה וקצב החדרת חורי האלקטרודות ישפיעו על יכולת הטעינה המהירה של סוללות הליתיום-יון.

סקירה כללית של מסלולי טכנולוגיית טעינה מהירה עבור יצרנים מיינסטרים

עידן נינגדה

לגבי האלקטרודה החיובית, CATL פיתחה את טכנולוגיית “רשת העל האלקטרונית”, שגורמת לליתיום ברזל פוספט להיות בעל מוליכות אלקטרונית מצוינת; על משטח הגרפיט של האלקטרודה השלילית, נעשה שימוש בטכנולוגיית “טבעת יונים מהירה” כדי לשנות את הגרפיט, והגרפיט המשתנה לוקח בחשבון גם טעינה סופר מהירה וגם גבוהה. מוצרים במהלך טעינה מהירה, כך שיש לו קיבולת טעינה מהירה של 4-5C, מימוש 10-15 דקות טעינה וטעינה מהירה, ויכול להבטיח את צפיפות האנרגיה של רמת המערכת מעל 70wh/kg, השגת 10,000 חיי מחזור.

במונחים של ניהול תרמי, מערכת הניהול התרמי שלה מזהה באופן מלא את “מרווח הטעינה הבריא” של המערכת הכימית הקבועה בטמפרטורות שונות וב-SOCs, מה שמרחיב מאוד את טמפרטורת הפעולה של סוללות ליתיום-יון.

ווטרמה

Waterma לא כל כך טוב לאחרונה, בואו נדבר רק על טכנולוגיה. Waterma משתמשת בפוספט ליתיום ברזל עם גודל חלקיקים קטן יותר. נכון לעכשיו, לפוספט הליתיום ברזל הנפוץ בשוק יש גודל חלקיקים בין 300 ל-600 ננומטר, בעוד ש-Waterma משתמשת רק בפוספט ליתיום ברזל של 100 עד 300 ננומטר, כך שיהיו ליוני ליתיום. ככל שמהירות הנדידה מהירה יותר, הזרם יכול להיות גדול יותר. נטען ומשוחרר. עבור מערכות שאינן סוללות, חזקו את התכנון של מערכות ניהול תרמיות ובטיחות המערכת.

מיקרו פאוור

בימים הראשונים, Weihong Power בחרה בליתיום טיטנאט + פחמן מרוכב נקבובי עם מבנה ספינל שיכול לעמוד בטעינה מהירה ובזרם גבוה כחומר האלקטרודה השלילי; על מנת למנוע את האיום של זרם הספק גבוה לבטיחות הסוללה במהלך טעינה מהירה, Weihong Power המשלב אלקטרוליט לא בוער, טכנולוגיית דיאפרגמה בעלת נקבוביות גבוהה וחדירה גבוהה וטכנולוגיית נוזל בקרה תרמית חכמה STL, זה יכול להבטיח את בטיחות הסוללה כאשר הסוללה נטענת במהירות.

בשנת 2017, היא הכריזה על דור חדש של סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה, תוך שימוש בחומרי קתודית ליתיום מנגנט בעלי קיבולת גבוהה והספק גבוה, עם צפיפות אנרגיה בודדת של 170Wh/kg, והשגת טעינה מהירה של 15 דקות. המטרה היא לקחת בחשבון נושאי חיים ובטיחות.

ג’והאי יינלונג

אנודת ליתיום טיטנאט ידועה בטווח טמפרטורת הפעולה הרחב שלה ובקצב פריקת טעינה גדול. אין נתונים ברורים על השיטות הטכניות הספציפיות. בשיחה עם הצוות בתערוכה, נאמר שהטעינה המהירה שלו יכולה להגיע ל-10C ותוחלת החיים היא פי 20,000.

העתיד של טכנולוגיית הטעינה המהירה

בין אם טכנולוגיית הטעינה המהירה של כלי רכב חשמליים היא כיוון היסטורי או תופעה קצרת מועד, למעשה, יש דעות שונות כעת, ואין מסקנה. כשיטה חלופית לפתור חרדת קילומטראז’, היא נחשבת על אותה פלטפורמה עם צפיפות אנרגית הסוללה ועלות הרכב הכוללת.

ניתן לומר כי צפיפות אנרגיה וביצועי טעינה מהירה, באותה סוללה, הם שני כיוונים שאינם תואמים ואינם ניתנים להשגה בו זמנית. המרדף אחר צפיפות אנרגיית הסוללה הוא כיום הזרם המרכזי. כאשר צפיפות האנרגיה גבוהה מספיק וקיבולת הסוללה של רכב גדולה מספיק כדי למנוע את מה שמכונה “חרדת טווח”, הדרישה לביצועי טעינת קצב הסוללה תפחת; יחד עם זאת, אם הספק הסוללה גדול, אם עלות הסוללה לקילו-ואט-שעה אינה נמוכה מספיק, האם זה הכרחי? רכישת חשמל של דינג קמאו המספיקה ל”לא חרדים” מחייבת את הצרכנים לבחור. אם חושבים על זה, לטעינה מהירה יש ערך. נקודת מבט נוספת היא עלות מתקני טעינה מהירה, שהיא כמובן חלק מהעלות של החברה כולה לקידום חשמול.

האם ניתן לקדם את טכנולוגיית הטעינה המהירה בקנה מידה גדול, צפיפות האנרגיה וטכנולוגיית הטעינה המהירה המתפתחת במהירות, ושתי הטכנולוגיות שמפחיתות עלויות, עשויות למלא תפקיד מכריע בעתידה.