Lítium-iónové batérie sa nazývajú batérie typu „hojdacie kreslo“. Nabité ióny sa pohybujú medzi kladnými a zápornými elektródami a realizujú prenos náboja a dodávajú energiu do externých obvodov alebo nabíjajú z externého zdroja energie.

Počas špecifického nabíjacieho procesu sa vonkajšie napätie privedie na dva póly batérie a lítiové ióny sa extrahujú z materiálu kladnej elektródy a vstupujú do elektrolytu. Súčasne prebytočné elektróny prechádzajú cez kladný kolektor prúdu a presúvajú sa na zápornú elektródu cez vonkajší obvod; lítiové ióny sú v elektrolyte. Pohybuje sa od kladnej elektródy k zápornej elektróde a prechádza cez membránu k zápornej elektróde; SEI film prechádzajúci povrchom negatívnej elektródy je vložený do grafitovej vrstvenej štruktúry negatívnej elektródy a spája sa s elektrónmi.

Počas prevádzky iónov a elektrónov bude mať štruktúra batérie, ktorá ovplyvňuje prenos náboja, či už elektrochemický alebo fyzikálny, vplyv na výkon rýchleho nabíjania.

Požiadavky na rýchle nabíjanie pre všetky časti batérie

Čo sa týka batérií, ak chcete zlepšiť výkon, musíte tvrdo pracovať vo všetkých aspektoch batérie, vrátane kladnej elektródy, zápornej elektródy, elektrolytu, separátora a konštrukčného návrhu.

kladná elektróda

V skutočnosti sa na výrobu rýchlonabíjacích batérií dajú použiť takmer všetky druhy katódových materiálov. Medzi dôležité vlastnosti, ktoré je potrebné zaručiť, patrí vodivosť (zníženie vnútorného odporu), difúzia (zabezpečuje kinetiku reakcie), životnosť (nevysvetľovať) a bezpečnosť (nevysvetľovať), Správny výkon spracovania (špecifická plocha povrchu by nemala byť príliš vysoká veľké, aby sa znížili vedľajšie reakcie a slúžila bezpečnosť).

Samozrejme, problémy, ktoré je potrebné vyriešiť pre každý konkrétny materiál, môžu byť odlišné, ale naše bežné katódové materiály môžu splniť tieto požiadavky prostredníctvom série optimalizácií, ale rôzne materiály sú tiež odlišné:

A. Fosforečnan lítno-železitý sa môže viac zamerať na riešenie problémov vodivosti a nízkej teploty. Uskutočnenie uhlíkového povlaku, mierna nanoizácia (všimnite si, že mierna, rozhodne nie je jednoduchá logika, že čím jemnejšie, tým lepšie) a tvorba iónových vodičov na povrchu častíc sú najtypickejšie stratégie.

B. Samotný ternárny materiál má relatívne dobrú elektrickú vodivosť, ale jeho reaktivita je príliš vysoká, takže ternárne materiály len zriedka vykonávajú prácu v nanoúrovni (nanoizácia nie je všeliekom podobným liekom na zlepšenie vlastností materiálu, najmä v oblasť batérií V Číne je niekedy veľa anti-použití) a väčšia pozornosť sa venuje bezpečnosti a potlačeniu vedľajších reakcií (s elektrolytom). Koniec koncov, súčasná životnosť trojzložkových materiálov spočíva v bezpečnosti a nedávne nehody týkajúce sa bezpečnosti batérií sa tiež často vyskytli. Predložte vyššie požiadavky.

C. Z hľadiska životnosti je dôležitejší manganistan lítny. Na trhu je tiež veľa rýchlonabíjacích batérií na báze lítium-manganátu.

záporná elektróda

Keď je lítium-iónová batéria nabitá, lítium migruje na zápornú elektródu. Príliš vysoký potenciál spôsobený rýchlym nabíjaním a veľkým prúdom spôsobí, že negatívny elektródový potenciál bude zápornejší. V tomto čase sa zvýši tlak zápornej elektródy na rýchle prijatie lítia a zvýši sa tendencia vytvárať lítne dendrity. Preto musí záporná elektróda nielen uspokojiť difúziu lítia počas rýchleho nabíjania. Požiadavky na kinetiku lítium-iónovej batérie musia tiež vyriešiť bezpečnostný problém spôsobený zvýšenou tendenciou dendritov lítia. Preto dôležitým technickým problémom rýchlonabíjacieho jadra je vloženie lítiových iónov do zápornej elektródy.

Odpoveď: V súčasnosti je dominantným materiálom zápornej elektródy na trhu stále grafit (tvorí asi 90 % podielu na trhu). Základným dôvodom je lacnosť a komplexný výkon spracovania a energetická hustota grafitu sú relatívne dobré, s relatívne malým počtom nedostatkov. . Problémy sú samozrejme aj s grafitovou negatívnou elektródou. Povrch je relatívne citlivý na elektrolyt a interkalačná reakcia lítia má silnú smerovosť. Preto je dôležité tvrdo pracovať na zlepšení štrukturálnej stability grafitového povrchu a podporovať difúziu lítiových iónov na substráte. smer.

B. Tvrdé uhlíkové a mäkké uhlíkové materiály tiež zaznamenali v posledných rokoch veľký vývoj: tvrdé uhlíkové materiály majú vysoký potenciál vkladania lítia a majú mikropóry v materiáloch, takže kinetika reakcie je dobrá; a mäkké uhlíkové materiály majú dobrú kompatibilitu s elektrolytom, MCMB Materiály sú tiež veľmi reprezentatívne, ale tvrdé a mäkké uhlíkové materiály majú vo všeobecnosti nízku účinnosť a vysoké náklady (a predstavte si, že grafit je rovnako lacný, obávam sa, že nie je nádejné z priemyselného hľadiska), takže súčasná spotreba je oveľa menšia ako grafit a viac sa používa v niektorých špecialitách na batériu.

C. Ako je to s titaničitanom lítnym? Stručne povedané: výhody titaničitanu lítneho sú vysoká hustota výkonu, bezpečnejšie a zrejmé nevýhody. Hustota energie je veľmi nízka a náklady sú vysoké pri prepočte na Wh. Preto je lítium-titanátová batéria užitočnou technológiou s výhodami pri špecifických príležitostiach, ale nie je vhodná pre mnohé príležitosti, ktoré si vyžadujú vysoké náklady a cestovný dosah.

D. Silikónové anódové materiály sú dôležitým smerom vývoja a nová batéria Panasonic 18650 začala komerčný proces takýchto materiálov. Ako však dosiahnuť rovnováhu medzi snahou o výkon nanometrov a všeobecnými požiadavkami na materiály súvisiace s batériovým priemyslom na úrovni mikrónov, je stále náročnejšou úlohou.

Membrána

Pri výkonových batériách kladie vysokoprúdová prevádzka vyššie požiadavky na ich bezpečnosť a životnosť. Technológia poťahovania membrány sa nedá obísť. Keramické membrány sú rýchlo vytláčané kvôli ich vysokej bezpečnosti a schopnosti spotrebovať nečistoty v elektrolyte. Zvlášť významný je účinok zlepšenia bezpečnosti ternárnych batérií.

Najdôležitejším systémom, ktorý sa v súčasnosti používa pre keramické membrány, je nanášanie častíc oxidu hlinitého na povrch tradičných membrán. Relatívne novým spôsobom je nanášanie vlákien pevného elektrolytu na membránu. Takéto membrány majú nižší vnútorný odpor a mechanický podporný účinok membrán súvisiacich s vláknami je lepší. Vynikajúca a má menšiu tendenciu blokovať póry membrány počas prevádzky.

Po potiahnutí má membrána dobrú stabilitu. Aj keď je teplota relatívne vysoká, nie je ľahké sa zmršťovať a deformovať a spôsobiť skrat. Jiangsu Qingtao Energy Co., Ltd. podporovaná technickou podporou výskumnej skupiny Nan Cewen Školy materiálov a materiálov Univerzity Tsinghua má v tomto smere nejakého zástupcu. Funguje, membrána je znázornená na obrázku nižšie.

elektrolyt

Elektrolyt má veľký vplyv na výkon rýchlonabíjacích lítium-iónových batérií. Na zabezpečenie stability a bezpečnosti batérie pri rýchlom nabíjaní a vysokom prúde musí elektrolyt spĺňať nasledujúce vlastnosti: A) nerozložiteľný, B) vysoká vodivosť a C) je inertný voči kladným a záporným materiálom. Reagujte alebo rozpustite.

Ak chcete splniť tieto požiadavky, kľúčové je použitie aditív a funkčných elektrolytov. Napríklad bezpečnosť ternárnych rýchlonabíjacích batérií je ním značne ovplyvnená a je potrebné do nich pridávať rôzne prísady proti vysokej teplote, spomaľujúce horenie a prebíjaniu, aby sa do určitej miery zlepšila ich bezpečnosť. Starý a zložitý problém lítium-titanátových batérií, vysokoteplotná plynatosť, musí byť tiež vylepšený vysokoteplotným funkčným elektrolytom.

Dizajn konštrukcie batérie

Typickou optimalizačnou stratégiou je typ vrstveného vinutia VS. Elektródy naskladanej batérie sú ekvivalentné paralelnému vzťahu a typ vinutia je ekvivalentný sériovému zapojeniu. Preto je vnútorný odpor prvého z nich oveľa menší a je vhodnejší pre výkonový typ. príležitosť.

Okrem toho je možné vynaložiť úsilie na počet kariet na vyriešenie problémov vnútorného odporu a rozptylu tepla. Okrem toho, použitie vysoko vodivých elektródových materiálov, použitie vodivých činidiel a poťahovanie tenších elektród sú tiež stratégie, ktoré možno zvážiť.

Stručne povedané, faktory, ktoré ovplyvňujú pohyb nabíjania v batérii a rýchlosť vkladania otvorov elektród, ovplyvnia schopnosť rýchleho nabíjania lítium-iónových batérií.

Prehľad technologických ciest rýchleho nabíjania pre bežných výrobcov

Éra Ningde

Pokiaľ ide o kladnú elektródu, CATL vyvinul technológiu „super elektronickej siete“, vďaka ktorej má fosforečnan lítno-železitý vynikajúcu elektrónovú vodivosť; na grafitovom povrchu zápornej elektródy sa na úpravu grafitu používa technológia „rýchlych iónových krúžkov“ a modifikovaný grafit berie do úvahy super rýchle nabíjanie a vysoké nabíjanie. Vďaka charakteristikám hustoty energie už záporná elektróda nemá nadmerné by- produkty počas rýchleho nabíjania, takže má kapacitu rýchleho nabíjania 4-5C, realizujúcich 10-15 minút rýchleho nabíjania a nabíjania a dokáže zabezpečiť energetickú hustotu úrovne systému nad 70wh/kg, čím sa dosiahne životnosť 10,000 XNUMX cyklov.

Čo sa týka tepelného manažmentu, jeho systém tepelného manažmentu plne rozpoznáva „interval zdravého nabíjania“ pevného chemického systému pri rôznych teplotách a SOC, čo značne rozširuje prevádzkovú teplotu lítium-iónových batérií.

Waterma

Waterma nie je v poslednej dobe taká dobrá, bavme sa len o technológii. Waterma používa fosforečnan lítno-železitý s menšou veľkosťou častíc. V súčasnosti má bežný fosforečnan lítno-železitý na trhu veľkosť častíc medzi 300 a 600 nm, zatiaľ čo Waterma používa iba fosforečnan lítno-železitý od 100 do 300 nm, takže ióny lítia budú mať Čím vyššia je rýchlosť migrácie, tým väčší môže byť prúd nabité a vybité. V prípade systémov iných ako batérie posilniť návrh systémov tepelného manažmentu a bezpečnosť systému.

Micro Power

V začiatkoch si Weihong Power vybral ako materiál zápornej elektródy lítiumtitanát + porézny kompozitný uhlík so spinelovou štruktúrou, ktorý dokáže vydržať rýchle nabíjanie a vysoký prúd; aby sa predišlo ohrozeniu bezpečnosti batérie počas rýchleho nabíjania vysokým prúdom, Weihong Power Kombinácia nehorívého elektrolytu, vysokoporéznej a vysoko priepustnej membránovej technológie a technológie STL inteligentnej tepelnej riadiacej kvapaliny môže zaistiť bezpečnosť batérie keď je batéria rýchlo nabitá.

V roku 2017 oznámila novú generáciu batérií s vysokou energetickou hustotou, ktoré využívajú vysokokapacitné a vysokovýkonné lítium-manganátové katódové materiály, s hustotou jednej energie 170 Wh/kg a dosahujú 15-minútové rýchle nabíjanie. Cieľom je brať do úvahy otázky života a bezpečnosti.

Zhuhai Yinlong

Lítiumtitanátová anóda je známa svojim širokým rozsahom prevádzkových teplôt a veľkou rýchlosťou nabíjania a vybíjania. Neexistujú jasné údaje o konkrétnych technických metódach. Pri rozhovore s personálom na výstave sa hovorí, že jeho rýchle nabíjanie môže dosiahnuť 10 ° C a životnosť je 20,000 XNUMX-krát.

Budúcnosť technológie rýchleho nabíjania

Či už je technológia rýchleho nabíjania elektrických vozidiel historickým smerom alebo krátkodobým fenoménom, v skutočnosti sú teraz rôzne názory a neexistuje žiadny záver. Ako alternatívna metóda na vyriešenie úzkosti z najazdených kilometrov sa uvažuje na rovnakej platforme s hustotou energie batérie a celkovou cenou vozidla.

Hustotu energie a rýchle nabíjanie v rovnakej batérii možno považovať za dva nekompatibilné smery a nemožno ich dosiahnuť súčasne. Snaha o hustotu energie batérie je v súčasnosti hlavným prúdom. Keď je hustota energie dostatočne vysoká a kapacita batérie vozidla je dostatočne veľká na to, aby sa zabránilo takzvanému „úzku z dojazdu“, dopyt po rýchlom nabíjaní batérie sa zníži; zároveň, ak je výkon batérie veľký, ak náklady na batériu na kilowatthodinu nie sú dostatočne nízke, je to potrebné? Nákup elektriny zo strany Ding Kemao, ktorý je dostatočný na to, aby „nebol úzkostlivý“, si od spotrebiteľov vyžaduje, aby si vybrali. Ak sa nad tým zamyslíte, rýchle nabíjanie má hodnotu. Ďalším uhlom pohľadu sú náklady na rýchlonabíjacie zariadenia, ktoré sú samozrejme súčasťou celospoločenských nákladov na podporu elektrifikácie.

Či je možné vo veľkom propagovať technológiu rýchleho nabíjania, môže v budúcnosti zohrávať rozhodujúcu úlohu hustota energie a rýchlo sa rozvíjajúca technológia rýchleho nabíjania a dve technológie, ktoré znižujú náklady.