Lithium-ionbatterijen worden batterijen van het “schommelstoeltype” genoemd. Geladen ionen bewegen tussen de positieve en negatieve elektroden om ladingsoverdracht te realiseren en stroom te leveren aan externe circuits of lading van een externe stroombron.

Tijdens het specifieke laadproces wordt de externe spanning aangebracht op de twee polen van de batterij en worden de lithiumionen uit het positieve elektrodemateriaal gehaald en komen ze in de elektrolyt. Tegelijkertijd gaan overtollige elektronen door de positieve stroomcollector en gaan via het externe circuit naar de negatieve elektrode; de lithiumionen zitten in de elektrolyt. Het beweegt van de positieve elektrode naar de negatieve elektrode en gaat door het diafragma naar de negatieve elektrode; de SEI-film die door het oppervlak van de negatieve elektrode gaat, is ingebed in de grafietlaagstructuur van de negatieve elektrode en combineert met elektronen.

Tijdens de werking van ionen en elektronen zal de batterijstructuur die de ladingsoverdracht beïnvloedt, of dit nu elektrochemisch of fysiek is, de snelle laadprestaties beïnvloeden.

De vereisten voor snel opladen voor alle onderdelen van de batterij

Wat betreft batterijen, als u de stroomprestaties wilt verbeteren, moet u hard werken in alle aspecten van de batterij, inclusief de positieve elektrode, de negatieve elektrode, de elektrolyt, de separator en het structurele ontwerp.

positieve elektrode:

In feite kunnen bijna alle soorten kathodematerialen worden gebruikt om snelladende batterijen te maken. De belangrijke eigenschappen die moeten worden gegarandeerd, zijn onder meer geleidbaarheid (verminder de interne weerstand), diffusie (zorg voor reactiekinetiek), levensduur (niet uitleggen) en veiligheid (niet uitleggen), goede verwerkingsprestaties (het specifieke oppervlak mag niet te groot om nevenreacties te verminderen en de veiligheid te dienen).

Natuurlijk kunnen de problemen die moeten worden opgelost voor elk specifiek materiaal anders zijn, maar onze gebruikelijke kathodematerialen kunnen aan deze vereisten voldoen door een reeks optimalisaties, maar verschillende materialen zijn ook verschillend:

A. Lithium-ijzerfosfaat kan meer gericht zijn op het oplossen van de problemen van geleidbaarheid en lage temperatuur. Het uitvoeren van koolstofcoating, matige nanoisatie (merk op dat het matig is, het is zeker geen simpele logica dat hoe fijner hoe beter), en de vorming van ionengeleiders op het oppervlak van de deeltjes zijn de meest typische strategieën.

B. Het ternaire materiaal zelf heeft een relatief goede elektrische geleidbaarheid, maar de reactiviteit is te hoog, dus voeren ternaire materialen zelden werk op nanoschaal uit (nano-isatie is geen wondermiddel-achtig tegengif voor de verbetering van de materiaalprestaties, vooral in de gebied van batterijen Er zijn soms veel anti-gebruiken in China), en er wordt meer aandacht besteed aan veiligheid en onderdrukking van nevenreacties (met elektrolyt). De huidige levensduur van ternaire materialen ligt immers in veiligheid en ook recente veiligheidsongevallen met batterijen hebben zich vaak voorgedaan. Stel hogere eisen.

C. Lithiummanganaat is belangrijker in termen van levensduur. Er zijn ook veel op lithium-manganaat gebaseerde snellaadbatterijen op de markt.

negatieve elektrode

Wanneer een lithium-ionbatterij wordt opgeladen, migreert lithium naar de negatieve elektrode. Het te hoge potentiaal veroorzaakt door snel opladen en grote stroom zal ervoor zorgen dat het negatieve elektrodepotentieel negatiever is. Op dit moment zal de druk van de negatieve elektrode om lithium snel te accepteren toenemen en zal de neiging om lithiumdendrieten te genereren toenemen. Daarom moet de negatieve elektrode niet alleen voldoen aan de lithiumdiffusie tijdens snelladen. De kinetische vereisten van de lithium-ionbatterij moeten ook het veiligheidsprobleem oplossen dat wordt veroorzaakt door de verhoogde neiging van lithiumdendrieten. Daarom is de belangrijke technische moeilijkheid van de snellaadkern het inbrengen van lithiumionen in de negatieve elektrode.

A. Momenteel is het dominante negatieve elektrodemateriaal op de markt nog steeds grafiet (goed voor ongeveer 90% van het marktaandeel). De fundamentele reden is goedkoop, en de uitgebreide verwerkingsprestaties en energiedichtheid van grafiet zijn relatief goed, met relatief weinig tekortkomingen. . Natuurlijk zijn er ook problemen met de grafiet-negatieve elektrode. Het oppervlak is relatief gevoelig voor de elektrolyt en de lithiumintercalatiereactie heeft een sterke directionaliteit. Daarom is het belangrijk om hard te werken om de structurele stabiliteit van het grafietoppervlak te verbeteren en de diffusie van lithiumionen op het substraat te bevorderen. richting.

B. Harde koolstof en zachte koolstofmaterialen hebben de laatste jaren ook veel ontwikkeling doorgemaakt: harde koolstofmaterialen hebben een hoog lithium-insertiepotentieel en hebben microporiën in de materialen, dus de reactiekinetiek is goed; en zachte koolstofmaterialen hebben een goede compatibiliteit met elektrolyt, MCMB. De materialen zijn ook zeer representatief, maar harde en zachte koolstofmaterialen zijn over het algemeen laag in efficiëntie en hoog in kosten (en stel je voor dat grafiet hetzelfde goedkoop is, ik ben bang dat het dat niet is hoopgevend vanuit industrieel oogpunt), dus het huidige verbruik is veel minder dan grafiet, en wordt meer gebruikt in sommige specialiteiten op de batterij.

C. Hoe zit het met lithiumtitanaat? Kort gezegd: de voordelen van lithiumtitanaat zijn een hoge vermogensdichtheid, veiliger en voor de hand liggende nadelen. De energiedichtheid is erg laag en de kosten zijn hoog, berekend door Wh. Daarom is het gezichtspunt van een lithiumtitanaatbatterij een nuttige technologie met voordelen bij specifieke gelegenheden, maar het is niet geschikt voor veel gelegenheden die hoge kosten en een groot bereik vereisen.

D. Siliciumanodematerialen zijn een belangrijke ontwikkelingsrichting en de nieuwe 18650-batterij van Panasonic is begonnen met het commerciële proces van dergelijke materialen. Het is echter nog een grotere uitdaging om een ​​evenwicht te bereiken tussen het streven naar nanometerprestaties en de algemene vereisten op micronniveau van aan de batterijindustrie gerelateerde materialen.

Membraan

Wat betreft power-type batterijen, stelt hoge stroomsterkte hogere eisen aan hun veiligheid en levensduur. Membraancoatingtechnologie kan niet worden omzeild. Keramisch gecoate membranen worden snel naar buiten gedrukt vanwege hun hoge veiligheid en het vermogen om onzuiverheden in de elektrolyt op te nemen. Met name het effect van het verbeteren van de veiligheid van ternaire batterijen is bijzonder significant.

Het belangrijkste systeem dat momenteel voor keramische diafragma’s wordt gebruikt, is het coaten van aluminiumoxidedeeltjes op het oppervlak van traditionele diafragma’s. Een relatief nieuwe methode is om vaste elektrolytvezels op het diafragma te coaten. Dergelijke diafragma’s hebben een lagere interne weerstand en het mechanische ondersteuningseffect van vezelgerelateerde diafragma’s is beter. Uitstekend, en het heeft een lagere neiging om de diafragmaporiën te verstoppen tijdens gebruik.

Na het coaten heeft het diafragma een goede stabiliteit. Zelfs als de temperatuur relatief hoog is, is het niet gemakkelijk om te krimpen en te vervormen en kortsluiting te veroorzaken. Jiangsu Qingtao Energy Co., Ltd., ondersteund door de technische ondersteuning van de Nan Cewen-onderzoeksgroep van de School of Materials and Materials van Tsinghua University, heeft in dit opzicht een vertegenwoordiger. Werkend wordt het diafragma weergegeven in de onderstaande afbeelding.

elektrolyt

De elektrolyt heeft een grote invloed op de prestaties van snelladende lithium-ionbatterijen. Om de stabiliteit en veiligheid van de batterij te garanderen bij snel opladen en hoge stroomsterkte, moet de elektrolyt aan de volgende kenmerken voldoen: A) kan niet worden afgebroken, B) hoge geleidbaarheid en C) is inert voor de positieve en negatieve materialen. Reageren of oplossen.

Als u aan deze eisen wilt voldoen, is het belangrijk om additieven en functionele elektrolyten te gebruiken. De veiligheid van ternaire snelladende batterijen wordt er bijvoorbeeld sterk door beïnvloed en het is noodzakelijk om verschillende additieven tegen hoge temperaturen, vlamvertragende en anti-overbelasting toe te voegen om de veiligheid tot op zekere hoogte te verbeteren. Het oude en moeilijke probleem van lithiumtitanaatbatterijen, winderigheid bij hoge temperaturen, moet ook worden verbeterd door functionele elektrolyt op hoge temperatuur.

Ontwerp batterijstructuur

Een typische optimalisatiestrategie is het gestapelde VS-wikkelingstype. De elektroden van de gestapelde batterij zijn gelijk aan een parallelle relatie en het wikkelingstype is gelijk aan een serieschakeling. Daarom is de interne weerstand van de eerste veel kleiner en is deze meer geschikt voor het stroomtype. gelegenheid.

Bovendien kunnen inspanningen worden geleverd op het aantal tabbladen om de problemen van interne weerstand en warmteafvoer op te lossen. Bovendien zijn het gebruik van hooggeleidende elektrodematerialen, het gebruik van meer geleidende middelen en het coaten van dunnere elektroden ook strategieën die kunnen worden overwogen.

Kortom, de factoren die van invloed zijn op de laadbeweging in de batterij en de snelheid waarmee de elektrodegaten worden ingebracht, zijn van invloed op het snelle oplaadvermogen van lithium-ionbatterijen.

Overzicht van routes voor snellaadtechnologie voor reguliere fabrikanten

Ningde-tijdperk

Met betrekking tot de positieve elektrode heeft CATL de “super elektronische netwerk” -technologie ontwikkeld, waardoor lithiumijzerfosfaat een uitstekende elektronische geleidbaarheid heeft; op het grafietoppervlak van de negatieve elektrode wordt de “snelle ionenring” -technologie gebruikt om het grafiet te modificeren, en het gemodificeerde grafiet houdt rekening met zowel supersnel opladen als hoge. Met de kenmerken van energiedichtheid heeft de negatieve elektrode niet langer overmatige by- producten tijdens snel opladen, zodat het een snellaadcapaciteit van 4-5C heeft, 10-15 minuten snel opladen en opladen realiseert, en de energiedichtheid van het systeemniveau boven 70wh / kg kan garanderen, waardoor een levensduur van 10,000 cycli wordt bereikt.

Op het gebied van thermisch beheer erkent het thermische beheersysteem volledig het “gezonde oplaadinterval” van het vaste chemische systeem bij verschillende temperaturen en SOC’s, wat de bedrijfstemperatuur van lithium-ionbatterijen aanzienlijk verbreedt.

Waterma

Waterma is de laatste tijd niet zo goed, laten we het maar over technologie hebben. Waterma gebruikt lithiumijzerfosfaat met een kleinere deeltjesgrootte. Op dit moment heeft het gebruikelijke lithiumijzerfosfaat op de markt een deeltjesgrootte tussen 300 en 600 nm, terwijl Waterma alleen lithiumijzerfosfaat van 100 tot 300 nm gebruikt, dus lithiumionen zullen hebben. Hoe sneller de migratiesnelheid, hoe groter de stroom kan zijn opgeladen en ontladen. Voor andere systemen dan batterijen, het ontwerp van thermische beheersystemen en systeemveiligheid versterken.

Micro Vermogen

In de begindagen koos Weihong Power lithiumtitanaat + poreuze composietkoolstof met spinelstructuur die bestand is tegen snel opladen en hoge stroom als het negatieve elektrodemateriaal; om de dreiging van hoge vermogensstroom voor de veiligheid van de batterij tijdens snel opladen te voorkomen, kan Weihong Power Door niet-brandende elektrolyt, hoge porositeit en hoge permeabiliteit diafragmatechnologie en STL intelligente thermische regelvloeistoftechnologie te combineren, de veiligheid van de batterij garanderen wanneer de batterij snel is opgeladen.

In 2017 kondigde het een nieuwe generatie batterijen met een hoge energiedichtheid aan, die gebruik maken van lithiummanganaatkathodematerialen met een hoge capaciteit en een hoog vermogen, met een enkele energiedichtheid van 170 Wh/kg, en een snelle oplaadtijd van 15 minuten. Het doel is om rekening te houden met levens- en veiligheidskwesties.

Zhuhai Yinlong

Lithiumtitanaatanode staat bekend om zijn brede bedrijfstemperatuurbereik en grote laad-ontlaadsnelheid. Er zijn geen duidelijke gegevens over de specifieke technische methoden. In gesprek met het personeel op de tentoonstelling wordt gezegd dat de snelle lading 10C kan bereiken en dat de levensduur 20,000 keer is.

De toekomst van snellaadtechnologie

Of de snellaadtechnologie van elektrische voertuigen een historische richting is of een kortstondig fenomeen, in feite zijn er nu verschillende meningen en is er geen conclusie. Als een alternatieve methode om de angst voor kilometers op te lossen, wordt het beschouwd op hetzelfde platform met de energiedichtheid van de batterij en de totale voertuigkosten.

Energiedichtheid en snelle oplaadprestaties in dezelfde batterij kunnen worden beschouwd als twee onverenigbare richtingen en kunnen niet tegelijkertijd worden bereikt. Het streven naar batterij-energiedichtheid is momenteel de hoofdstroom. Wanneer de energiedichtheid hoog genoeg is en de batterijcapaciteit van een voertuig groot genoeg is om de zogenaamde “bereikangst” te voorkomen, zal de vraag naar laadprestaties van de batterij afnemen; tegelijkertijd, als het batterijvermogen groot is, als de batterijkosten per kilowattuur niet laag genoeg zijn, is het dan nodig? Ding Kemao’s inkoop van elektriciteit die voldoende is voor “niet angstig” dwingt consumenten tot een keuze. Als je erover nadenkt, heeft snelladen waarde. Een ander gezichtspunt zijn de kosten van snellaadfaciliteiten, die natuurlijk deel uitmaken van de kosten van de hele samenleving om elektrificatie te bevorderen.

Of snellaadtechnologie op grote schaal kan worden gepromoot, de energiedichtheid en snellaadtechnologie die zich snel ontwikkelt, en de twee technologieën die kosten verlagen, kunnen in de toekomst een beslissende rol spelen.