Quais são os requisitos para baterias de íon de lítio de alta qualidade? De modo geral, vida longa, alta densidade de energia e desempenho de segurança confiável são os pré-requisitos para medir uma bateria de íon de lítio de alta qualidade. As baterias de íon-lítio são usadas atualmente em todos os aspectos da vida diária, mas o fabricante ou a marca são diferentes. Existem algumas diferenças na vida útil e no desempenho de segurança das baterias de íon-lítio, que estão intimamente relacionadas aos padrões do processo de produção e aos materiais de produção; as seguintes condições devem ser as condições para íons de lítio de alta qualidade;

1. Longa vida útil

A vida da bateria secundária inclui dois indicadores: ciclo de vida e vida útil do calendário. A vida útil do ciclo significa que após a bateria ter experimentado o número de ciclos prometido pelo fabricante, a capacidade restante ainda é maior ou igual a 80%. A vida útil do calendário significa que a capacidade restante não deve ser inferior a 80% dentro do período de tempo prometido pelo fabricante, independentemente de ser usado ou não.

A vida é um dos principais indicadores das baterias de lítio de potência. Por um lado, a grande ação de substituir a bateria é realmente problemática e a experiência do usuário não é boa; por outro lado, fundamentalmente, a vida é uma questão de custo.

A vida útil de uma bateria de íon-lítio significa que a capacidade da bateria diminui para a capacidade nominal (à temperatura ambiente de 25 ° C, pressão atmosférica padrão e 70% da capacidade da bateria descarregada a 0.2C) após um período de uso , e a vida pode ser considerada como o fim da vida. Na indústria, o ciclo de vida é geralmente calculado pelo número de ciclos de baterias de íon de lítio totalmente carregadas e descarregadas. No processo de uso, ocorre uma reação eletroquímica irreversível dentro da bateria de íons de lítio, o que leva a uma diminuição da capacidade, como a decomposição do eletrólito, a desativação de materiais ativos e o colapso das estruturas dos eletrodos positivos e negativos levar a uma diminuição no número de intercalação e desintercalação de íons de lítio. Esperar. Experimentos mostram que uma taxa mais alta de descarga levará a uma atenuação mais rápida da capacidade. Se a corrente de descarga for baixa, a tensão da bateria estará próxima da tensão de equilíbrio, o que pode liberar mais energia.

A vida teórica de uma bateria ternária de íon de lítio é de cerca de 800 ciclos, o que é médio entre as baterias recarregáveis ​​de íon de lítio comerciais. O fosfato de lítio e ferro tem cerca de 2,000 ciclos, enquanto o titanato de lítio pode atingir 10,000 ciclos. Atualmente, os principais fabricantes de baterias prometem mais de 500 vezes (carga e descarga em condições padrão) nas especificações de suas células ternárias. No entanto, depois que as baterias são montadas em um pacote de bateria, devido a problemas de consistência, os fatores mais importantes são voltagem e interno. A resistência pode não ser exatamente a mesma e seu ciclo de vida é de cerca de 400 vezes. A janela de uso de SOC recomendada é de 10% ~ 90%. Carga e descarga profundas não são recomendadas, caso contrário, causarão danos irreversíveis à estrutura positiva e negativa da bateria. Se for calculado por carga superficial e descarga superficial, o ciclo de vida será de pelo menos 1000 vezes. Além disso, se as baterias de íon de lítio forem descarregadas com frequência em ambientes de alta taxa e alta temperatura, a vida útil da bateria será drasticamente reduzida para menos de 200 vezes.

2. Menos manutenção, menor custo de uso

A bateria em si tem um preço baixo por quilowatt-hora, que é o custo mais intuitivo. Além do mencionado acima, para os usuários, se o custo é realmente baixo depende do “custo do ciclo de vida completo da eletricidade”.

“Custo do ciclo de vida completo da eletricidade”, a potência total da bateria de lítio é multiplicada pelo número de ciclos para obter a quantidade total de energia que pode ser usada no ciclo de vida completo da bateria e o preço total do a bateria é dividida por essa soma para obter o preço por quilowatt de eletricidade no ciclo de vida completo.

O preço da bateria de que costumamos falar, como 1,500 yuan / kWh, é baseado apenas na energia total da nova célula da bateria. Na verdade, o custo da eletricidade por unidade de vida é o benefício direto do cliente final. O resultado mais intuitivo é que, se você comprar duas baterias com a mesma potência e ao mesmo preço, uma chegará ao fim da vida útil após 50 vezes de carga e descarga, e a outra poderá ser reutilizada após 100 vezes de carga e descarga. Essas duas baterias podem ser vistas rapidamente, o que é mais barato.

Para ser franco, é longa vida, durável e reduz custos.

Além dos dois custos acima, o custo de manutenção da bateria também deve ser considerado. Basta considerar o custo inicial, selecionar a célula do problema, o custo de manutenção posterior e o custo de mão de obra são muito altos. Em relação à manutenção da célula da bateria em si, é importante consultar o balanceamento manual. A função de equalização embutida do BMS é limitada pelo tamanho de sua própria corrente de equalização de projeto e pode não ser capaz de atingir o equilíbrio ideal entre as células. Conforme o tempo se acumula, o problema de diferença de pressão excessiva na bateria irá ocorrer. Em tais situações, a equalização manual deve ser realizada e as células da bateria com tensão muito baixa são carregadas separadamente. Quanto menor a frequência dessa situação, menor o custo de manutenção.

3. Alta densidade de energia / alta densidade de potência

Densidade de energia refere-se à energia contida em uma unidade de peso ou volume unitário; a energia elétrica liberada pelo volume médio unitário ou massa de uma bateria. Geralmente, no mesmo volume, a densidade de energia das baterias de íon-lítio é 2.5 vezes maior que as baterias de níquel-cádmio e 1.8 vezes a das baterias de níquel-hidrogênio. Portanto, quando a capacidade da bateria é igual, as baterias de íon-lítio serão melhores do que as baterias de níquel-cádmio e níquel-hidrogênio. Tamanho menor e peso mais leve.

Densidade de energia da bateria = capacidade da bateria × plataforma de descarga / espessura da bateria / largura da bateria / comprimento da bateria.

A densidade de potência refere-se ao valor da potência de descarga máxima por unidade de peso ou volume. No espaço limitado dos veículos rodoviários, somente aumentando a densidade a energia geral e a potência geral podem ser melhoradas de maneira eficaz. Além disso, os atuais subsídios do estado usam densidade de energia e densidade de potência como o limite para medir o nível de subsídios, o que fortalece ainda mais a importância da densidade.

No entanto, existe uma certa contradição entre densidade de energia e segurança. Conforme aumenta a densidade de energia, a segurança sempre enfrentará desafios mais novos e mais difíceis.

4. Alta tensão

Uma vez que os eletrodos de grafite são basicamente usados ​​como materiais anódicos, a voltagem das baterias de íon-lítio é determinada principalmente pelas características dos materiais catódicos. O limite superior da voltagem do fosfato de ferro e lítio é 3.6 V, e a voltagem máxima das baterias ternárias de lítio e manganato de lítio é de cerca de 4.2 V (a próxima parte explicará por que a voltagem máxima da bateria de íons de lítio não pode exceder 4.2 V ) O desenvolvimento de baterias de alta tensão é uma rota técnica para as baterias de íon-lítio aumentarem a densidade de energia. Para aumentar a tensão de saída da célula, são necessários um eletrodo positivo com alto potencial, um eletrodo negativo com baixo potencial e um eletrólito com alta tensão estável.

5. Alta eficiência energética

A eficiência de Coulomb, também chamada de eficiência de carregamento, refere-se à relação entre a capacidade de descarga da bateria e a capacidade de carregamento durante o mesmo ciclo. Ou seja, o percentual de capacidade específica de descarga para capacidade específica de carga.

Para o material do eletrodo positivo, é a capacidade de inserção de lítio / capacidade de delítio, ou seja, capacidade de descarga / capacidade de carga; para o material do eletrodo negativo, é a capacidade de remoção de lítio / capacidade de inserção de lítio, ou seja, a capacidade de descarga / capacidade de carga.

Durante o processo de carregamento, a energia elétrica é convertida em energia química e, durante o processo de descarga, a energia química é convertida em energia elétrica. Há uma certa eficiência na entrada e saída de energia elétrica durante os dois processos de conversão, e essa eficiência reflete diretamente o desempenho da bateria.

Do ponto de vista da física profissional, a eficiência de Coulomb e a eficiência energética são diferentes. Um é a proporção da eletricidade e o outro é a proporção do trabalho.

A eficiência energética da bateria de armazenamento e a eficiência de Coulomb, mas pela expressão matemática, há uma relação de tensão entre as duas. A tensão média de carga e descarga não é igual, a tensão média de descarga é geralmente menor do que a tensão média de carga

O desempenho da bateria pode ser avaliado pela eficiência energética da bateria. A partir da conservação de energia, a energia elétrica perdida é principalmente convertida em energia térmica. Portanto, a eficiência energética pode analisar o calor gerado pela bateria durante o processo de trabalho, e então a relação entre a resistência interna e o calor pode ser analisada. E sabe-se que a eficiência energética pode prever a energia restante da bateria e gerenciar o uso racional da bateria.

Como a potência de entrada geralmente não é usada para converter o material ativo em um estado carregado, mas parte dele é consumido (por exemplo, ocorrem reações colaterais irreversíveis), então a eficiência de Coulomb é frequentemente inferior a 100%. Mas, no que diz respeito às baterias de íon-lítio atuais, a eficiência de Coulomb pode atingir basicamente 99.9% ou mais.

Fatores de influência: decomposição do eletrólito, passivação da interface, mudanças na estrutura, morfologia e condutividade dos materiais ativos do eletrodo reduzirão a eficiência de Coulomb.

Além disso, é importante mencionar que a deterioração da bateria tem pouco efeito na eficiência de Coulomb e tem pouco a ver com a temperatura.

A densidade de corrente reflete o tamanho da passagem de corrente por unidade de área. À medida que a densidade da corrente aumenta, a corrente que passa pela pilha aumenta, a eficiência da tensão diminui devido à resistência interna e a eficiência de Coulomb diminui devido à polarização da concentração e outras razões. Eventualmente levar a uma redução na eficiência energética.

6. Bom desempenho em alta temperatura

As baterias de íon-lítio têm bom desempenho em alta temperatura, o que significa que o núcleo da bateria está em um ambiente de temperatura mais alta, e os materiais positivos e negativos da bateria, separadores e eletrólitos também podem manter uma boa estabilidade, podem funcionar normalmente em altas temperaturas e o a vida não será acelerada. A alta temperatura não é fácil de causar acidentes térmicos descontrolados.

A temperatura da bateria de íon de lítio mostra o estado térmico da bateria, e a essência disso é o resultado da geração e transferência de calor da bateria de íon de lítio. O estudo das características térmicas das baterias de íon-lítio, e suas características de geração e transferência de calor em diferentes condições, pode nos fazer perceber a importante forma de reações químicas exotérmicas dentro das baterias de íon-lítio.

Comportamentos inseguros das baterias de íon-lítio, incluindo sobrecarga e descarga excessiva da bateria, carga e descarga rápidas, curto-circuito, condições de abuso mecânico e choque térmico de alta temperatura, podem facilmente desencadear reações colaterais perigosas dentro da bateria e gerar calor, destruindo diretamente o negativo e eletrodos positivos Filme de passivação na superfície.

Quando a temperatura da célula sobe para 130 ° C, o filme SEI na superfície do eletrodo negativo se decompõe, fazendo com que o eletrodo negativo de carbono de lítio de alta atividade seja exposto ao eletrólito para sofrer uma violenta reação de oxidação-redução, e o calor que ocorre faz com que a bateria entre em um estado de alto risco.

Quando a temperatura interna da bateria sobe acima de 200 ° C, o filme de passivação na superfície do eletrodo positivo decompõe o eletrodo positivo para gerar oxigênio e continua a reagir violentamente com o eletrólito para gerar uma grande quantidade de calor e formar uma alta pressão interna . Quando a temperatura da bateria atinge acima de 240 ° C, é acompanhada por uma violenta reação exotérmica entre o eletrodo de carbono-lítio negativo e o aglutinante.

O problema de temperatura das baterias de íon de lítio tem um grande impacto na segurança das baterias de íon de lítio. O próprio ambiente de uso tem uma determinada temperatura, e a temperatura da bateria de íon de lítio também aparecerá quando ela for usada. O importante é que a temperatura terá um impacto maior na reação química dentro da bateria de íon-lítio. Temperatura muito alta pode até mesmo danificar a vida útil da bateria de íon de lítio e, em casos graves, pode causar problemas de segurança para a bateria de íon de lítio.

7. Bom desempenho em baixa temperatura

As baterias de íon de lítio têm bom desempenho em baixa temperatura, o que significa que em baixas temperaturas, os íons de lítio e os materiais do eletrodo dentro da bateria ainda mantêm alta atividade, alta capacidade residual, redução da degradação da capacidade de descarga e grande taxa de carregamento permitida.

À medida que a temperatura cai, a capacidade restante da bateria de íons de lítio decai para uma situação acelerada. Quanto mais baixa for a temperatura, mais rápido será o declínio da capacidade. O carregamento forçado em baixas temperaturas é extremamente prejudicial e é muito fácil causar acidentes térmicos descontrolados. Em baixas temperaturas, a atividade dos íons de lítio e dos materiais ativos do eletrodo diminui, e a taxa na qual os íons de lítio são inseridos no material do eletrodo negativo é severamente reduzida. Quando a fonte de alimentação externa é carregada com uma potência que excede a potência permitida da bateria, uma grande quantidade de íons de lítio se acumula em torno do eletrodo negativo e os íons de lítio embutidos no eletrodo são tarde demais para obter elétrons e, em seguida, depositar diretamente no superfície do eletrodo para formar cristais elementares de lítio. O dendrito cresce, penetra diretamente no diafragma e perfura o eletrodo positivo. Causa um curto-circuito entre os eletrodos positivo e negativo, que por sua vez leva à fuga térmica.

Além da severa deterioração da capacidade de descarga, as baterias de íons de lítio não podem ser carregadas em baixas temperaturas. Durante o carregamento de baixa temperatura, a intercalação de íons de lítio no eletrodo de grafite da bateria e a reação de revestimento de lítio coexistem e competem entre si. Em condições de baixa temperatura, a difusão de íons de lítio na grafite é inibida e a condutividade do eletrólito diminui, o que leva a uma diminuição na taxa de intercalação e torna a reação de revestimento de lítio mais provável de ocorrer na superfície de grafite. As principais razões para a diminuição da vida útil das baterias de íon-lítio quando usadas em baixas temperaturas são o aumento da impedância interna e a degradação da capacidade devido à precipitação dos íons lítio.

8. Boa segurança

A segurança das baterias de íon-lítio inclui não apenas a estabilidade dos materiais internos, mas também a eficácia das medidas auxiliares de segurança da bateria. A segurança dos materiais internos refere-se aos materiais positivos e negativos, diafragma e eletrólito, que possuem boa estabilidade térmica, boa compatibilidade entre o eletrólito e o material do eletrodo e boa retardo de chama do próprio eletrólito. As medidas auxiliares de segurança referem-se ao projeto da válvula de segurança da célula, ao projeto do fusível, ao projeto de resistência sensível à temperatura e à sensibilidade apropriada. Depois que uma única célula falha, ela pode evitar que a falha se espalhe e servir ao propósito de isolamento.

9. Boa consistência

Através do “efeito barril” entendemos a importância da consistência da bateria. Consistência refere-se às células da bateria usadas no mesmo pacote de bateria, a capacidade, tensão de circuito aberto, resistência interna, autodescarga e outros parâmetros são extremamente pequenos e o desempenho é semelhante. Se a consistência da célula da bateria com seu próprio desempenho excelente não for boa, sua superioridade geralmente é atenuada depois que o grupo é formado. Estudos demonstraram que a capacidade da bateria após o agrupamento é determinada pela célula de menor capacidade, e a vida útil da bateria é menor do que a vida útil da célula mais curta.