Aké sú požiadavky na vysokokvalitné lítium-iónové batérie? Vo všeobecnosti je predpokladom pre meranie kvalitnej lítium-iónovej batérie dlhá životnosť, vysoká hustota energie a spoľahlivý bezpečnostný výkon. Lítium-iónové batérie sa v súčasnosti používajú vo všetkých aspektoch každodenného života, ale výrobca alebo značka sú iní. Existujú určité rozdiely v životnosti a bezpečnosti lítium-iónových batérií, ktoré úzko súvisia s normami výrobného postupu a výrobnými materiálmi; nasledujúce podmienky musia byť podmienkami pre vysokokvalitný lítium-ión;

1. Dlhá životnosť

Životnosť sekundárnej batérie obsahuje dva indikátory: životnosť cyklu a životnosť kalendára. Životnosť cyklu znamená, že potom, čo batéria zaznamenala počet cyklov sľubovaných výrobcom, je zostávajúca kapacita stále väčšia alebo rovná 80%. Kalendárna životnosť znamená, že zostávajúca kapacita nesmie byť menšia ako 80 % v rámci časového obdobia sľúbeného výrobcom, bez ohľadu na to, či sa používa alebo nie.

Život je jedným z kľúčových ukazovateľov energetických lítiových batérií. Na jednej strane je veľká výmena batérie skutočne problematická a používateľská skúsenosť nie je dobrá; na druhej strane život je v zásade otázkou nákladov.

Životnosť lítium-iónovej batérie znamená, že kapacita batérie sa po určitom čase používania zníži na nominálnu kapacitu (pri izbovej teplote 25 °C, štandardnom atmosférickom tlaku a 70 % kapacity batérie vybitej pri 0.2 °C). a život možno považovať za koniec života. V priemysle sa životnosť cyklu vo všeobecnosti počíta podľa počtu cyklov plne nabitých a vybitých lítium-iónových batérií. Pri procese použitia dochádza vo vnútri lítium-iónovej batérie k ireverzibilnej elektrochemickej reakcii, ktorá vedie k zníženiu kapacity, ako je rozklad elektrolytu, deaktivácia aktívnych materiálov a zrútenie pozitívnych a negatívnych štruktúr elektród viesť k zníženiu počtu interkalácií a deinterkalácií lítiových iónov. Počkaj Experimenty ukazujú, že vyššia rýchlosť vybíjania povedie k rýchlejšiemu útlmu kapacity. Ak je vybíjací prúd nízky, napätie batérie sa bude blížiť rovnovážnemu napätiu, ktoré môže uvoľniť viac energie.

Teoretická životnosť ternárnej lítium-iónovej batérie je asi 800 cyklov, čo je priemer medzi komerčnými nabíjateľnými lítium-iónovými batériami. Fosforečnan lítno-železitý je asi 2,000 10,000 cyklov, zatiaľ čo titaničitan lítny je údajne schopný dosiahnuť 500 400 cyklov. V súčasnosti výrobcovia bežných batérií v špecifikáciách svojich ternárnych batériových článkov sľubujú viac ako 10-násobné nabitie a vybitie za štandardných podmienok. Avšak po zložení batérií do batériovej jednotky sú kvôli problémom s konzistenciou najdôležitejšími faktormi napätie a vnútorný odpor. Odpor nemôže byť úplne rovnaký a jeho životnosť je približne 90-krát. Odporúčané okno použitia SOC je 1000%~ 200%. Hlboké nabíjanie a vybíjanie sa neodporúča, inak spôsobí nevratné poškodenie pozitívnej a negatívnej štruktúry batérie. Ak sa vypočíta podľa plytkého nabitia a plytkého vybitia, životnosť cyklu bude najmenej XNUMX-krát. Navyše, ak sa lítium-iónové batérie často vybíjajú vo vysokorýchlostných a vysokoteplotných prostrediach, životnosť batérie sa drasticky skráti na menej ako XNUMX-krát.

2. Menej údržby, nižšie náklady na používanie

Samotná batéria má nízku cenu za kilowatthodinu, čo sú najintuitívnejšie náklady. Okrem vyššie uvedeného závisí pre používateľov od „celoživotných nákladov na elektrinu“, či sú náklady skutočne nízke.

„Náklady na elektrickú energiu počas celého životného cyklu“, celkový výkon výkonnej lítiovej batérie sa vynásobí počtom cyklov, aby sa získalo celkové množstvo energie, ktoré je možné použiť v celom životnom cykle batérie, a celkovou cenou batéria sa vydelí touto sumou, aby sa získala cena za kilowatt elektrickej energie v celom životnom cykle.

Cena batérie, o ktorej zvyčajne hovoríme, napríklad 1,500 50 juanov/kWh, je založená len na celkovej energii nového batériového článku. V skutočnosti sú náklady na elektrickú energiu na jednotku života priamym prínosom koncového zákazníka. Najintuitívnejším výsledkom je, že ak si kúpite dve sady batérií s rovnakým výkonom za rovnakú cenu, jedna skončí životnosť po 100 -násobnom nabití a vybití a druhú je možné znova použiť po XNUMX -násobnom nabití a vybití. Tieto dva akumulátory je možné na prvý pohľad vidieť, čo je lacnejšie.

Aby som to povedal na rovinu, je to dlhá životnosť, trvanlivosť a zníženie nákladov.

Okrem vyššie uvedených dvoch nákladov je potrebné zvážiť aj náklady na údržbu batérie. Jednoducho zvážte počiatočné náklady, vyberte problémovú bunku, neskoršie náklady na údržbu a mzdové náklady sú príliš vysoké. Čo sa týka údržby samotného článku batérie, je dôležité odkázať na ručné vyvažovanie. Zabudovaná vyrovnávacia funkcia BMS je obmedzená veľkosťou vlastného konštrukčného vyrovnávacieho prúdu a nemusí byť schopná dosiahnuť ideálnu rovnováhu medzi článkami. Ako sa čas hromadí, nastáva problém nadmerného rozdielu tlaku v batérii. V takýchto situáciách sa musí vykonať manuálne vyrovnanie a články batérie s príliš nízkym napätím sa nabíjajú oddelene. Čím nižšia je frekvencia tejto situácie, tým nižšie sú náklady na údržbu.

3. Vysoká hustota energie/vysoká hustota výkonu

Hustota energie sa týka energie obsiahnutej v jednotkovej hmotnosti alebo jednotkovom objeme; elektrická energia uvoľnená priemerným jednotkovým objemom alebo hmotnosťou batérie. Všeobecne platí, že v rovnakom objeme je hustota energie lítium-iónových batérií 2.5-krát väčšia ako hustota nikel-kadmiových batérií a 1.8-krát väčšia ako hustota niklovo-vodíkových batérií. Preto keď je kapacita batérie rovnaká, lítium-iónové batérie budú lepšie ako nikel-kadmiové a nikel-vodíkové batérie. Menšia veľkosť a nižšia hmotnosť.

Hustota energie batérie = kapacita batérie × vybíjacia plošina/hrúbka batérie/šírka batérie/dĺžka batérie.

Hustota výkonu sa vzťahuje na hodnotu maximálneho vybíjacieho výkonu na jednotku hmotnosti alebo objemu. V obmedzenom priestore cestných vozidiel je možné účinne zlepšiť celkovú energiu a celkový výkon iba zvýšením hustoty. Okrem toho súčasné štátne dotácie využívajú ako prah na meranie úrovne dotácií hustotu energie a hustotu výkonu, čo význam hustoty ešte viac posilňuje.

Medzi hustotou energie a bezpečnosťou je však určitý rozpor. Ako sa hustota energie zvyšuje, bezpečnosť bude vždy čeliť novším a náročnejším výzvam.

4. Vysoké napätie

Pretože grafitové elektródy sa v podstate používajú ako anódové materiály, napätie lítium-iónových batérií je určené hlavne materiálovými charakteristikami katódových materiálov. Horná hranica napätia fosforečnanu lítno-železitého je 3.6 V a maximálne napätie ternárnych lítiových a lítium-manganových batérií je asi 4.2 V (v ďalšej časti sa vysvetľuje, prečo nemôže maximálne napätie Li-ion batérie prekročiť 4.2 V ). Vývoj vysokonapäťových batérií je technickou cestou pre lítium-iónové batérie na zvýšenie hustoty energie. Na zvýšenie výstupného napätia článku je potrebný materiál kladnej elektródy s vysokým potenciálom, materiál zápornej elektródy s nízkym potenciálom a elektrolyt so stabilným vysokým napätím.

5. Vysoká energetická účinnosť

Coulombova účinnosť, tiež nazývaná účinnosť nabíjania, sa týka pomeru kapacity vybitia batérie k kapacite nabíjania počas rovnakého cyklu. To znamená percento špecifickej kapacity vybitia na nabitie špecifickej kapacity.

Pre materiál kladnej elektródy je to kapacita vkladania lítia/kapacita delítia, to znamená kapacita vybíjania/kapacita nabíjania; pre materiál zápornej elektródy je to kapacita odstraňovania lítia/kapacita vkladania lítia, to znamená kapacita vybíjania/kapacita nabíjania.

Počas procesu nabíjania sa elektrická energia premieňa na chemickú energiu a počas procesu vybíjania sa chemická energia premieňa na elektrickú energiu. Počas dvoch procesov premeny existuje určitá účinnosť vstupu a výstupu elektrickej energie a táto účinnosť priamo odzrkadľuje výkon batérie.

Z pohľadu profesionálnej fyziky sú Coulombova účinnosť a energetická účinnosť odlišné. Jedným je pomer elektriny a druhým pomer práce.

Energetická účinnosť akumulátora a Coulombova účinnosť, ale z matematického vyjadrenia existuje medzi nimi napätie. Priemerné napätie nabíjania a vybíjania nie je rovnaké, priemerné napätie vybíjania je vo všeobecnosti nižšie ako priemerné napätie nabíjania

Výkon batérie je možné posúdiť podľa energetickej účinnosti batérie. Zo šetrenia energie sa stratená elektrická energia premieňa hlavne na tepelnú energiu. Energetická účinnosť preto môže analyzovať teplo generované batériou počas pracovného procesu a potom je možné analyzovať vzťah medzi vnútorným odporom a teplom. A je známe, že energetická účinnosť dokáže predpovedať zostávajúcu energiu batérie a riadiť racionálne využitie batérie.

Pretože vstupný výkon sa často nevyužíva na premenu aktívneho materiálu do nabitého stavu, ale jeho časť sa spotrebuje (dochádza napríklad k nezvratným vedľajším reakciám), takže Coulombova účinnosť je často nižšia ako 100 %. Ale pokiaľ ide o súčasné lítium-iónové batérie, účinnosť Coulomba môže v zásade dosiahnuť 99.9% a viac.

Ovplyvňujúce faktory: rozklad elektrolytu, pasivácia rozhrania, zmeny v štruktúre, morfológii a vodivosti elektródových aktívnych materiálov znížia Coulombovu účinnosť.

Okrem toho stojí za zmienku, že rozpad batérie má malý vplyv na účinnosť Coulomba a má len málo spoločného s teplotou.

Hustota prúdu odráža veľkosť prúdu prechádzajúceho na jednotku plochy. So zvyšujúcou sa prúdovou hustotou sa zvyšuje prúd, ktorý prechádza zásobníkom, účinnosť napätia klesá v dôsledku vnútorného odporu a účinnosť Coulomba klesá v dôsledku polarizácie koncentrácie a ďalších dôvodov. Nakoniec to povedie k zníženiu energetickej účinnosti.

6. Dobrý výkon pri vysokej teplote

Lítium-iónové batérie majú dobrý výkon pri vysokých teplotách, čo znamená, že jadro batérie je v prostredí s vyššou teplotou a pozitívne a negatívne materiály, separátory a elektrolyt batérie môžu tiež udržiavať dobrú stabilitu, môžu normálne pracovať pri vysokých teplotách a život sa nezrýchli. Vysoká teplota nie je ľahké spôsobiť tepelné nehody.

Teplota lítium-iónovej batérie ukazuje tepelný stav batérie a jej podstata je výsledkom tvorby tepla a prenosu tepla lítium-iónovej batérie. Štúdium tepelných charakteristík lítium-iónových batérií a ich vlastností vytvárania tepla a prenosu tepla za rôznych podmienok nás môže prinútiť uvedomiť si dôležitý spôsob exotermických chemických reakcií vo vnútri lítium-iónových batérií.

Nebezpečné správanie lítium-iónových batérií, vrátane prebitia a nadmerného vybitia batérie, rýchleho nabíjania a vybíjania, skratu, podmienok mechanického zneužitia a tepelných šokov pri vysokej teplote, môže ľahko spustiť nebezpečné vedľajšie reakcie vo vnútri batérie a generovať teplo, priamo ničiť záporné a kladné elektródy Pasivačný film na povrchu.

Keď teplota článku stúpne na 130 ° C, film SEI na povrchu negatívnej elektródy sa rozloží, čo spôsobí, že vysoko aktívna lítium-uhlíková negatívna elektróda bude vystavená elektrolytu a prejde násilnou oxidačno-redukčnou reakciou a teplo, ktoré sa dostane batéria do vysoko rizikového stavu.

Keď vnútorná teplota batérie stúpne nad 200 ° C, pasivačný film na povrchu kladnej elektródy rozloží kladnú elektródu na generovanie kyslíka a naďalej prudko reaguje s elektrolytom, čím vytvára veľké množstvo tepla a vytvára vysoký vnútorný tlak. . Keď teplota batérie dosiahne viac ako 240 ° C, je sprevádzaná prudkou exotermickou reakciou medzi zápornou elektródou lítium -uhlíka a spojivom.

Teplotný problém lítium-iónových batérií má veľký vplyv na bezpečnosť lítium-iónových batérií. Samotné prostredie použitia má určitú teplotu a teplota lítium -iónovej batérie sa pri použití tiež prejaví. Dôležité je, že teplota bude mať väčší vplyv na chemickú reakciu vo vnútri lítium-iónovej batérie. Príliš vysoká teplota môže dokonca poškodiť životnosť lítium-iónovej batérie a v závažných prípadoch spôsobí bezpečnostné problémy lítium-iónovej batérie.

7. Dobrý výkon pri nízkych teplotách

Lítium-iónové batérie majú dobrý výkon pri nízkych teplotách, čo znamená, že pri nízkych teplotách si lítiové ióny a materiály elektród vo vnútri batérie stále zachovávajú vysokú aktivitu, vysokú zvyškovú kapacitu, zníženú degradáciu kapacity vybíjania a veľkú povolenú rýchlosť nabíjania.

Keď teplota klesne, zostávajúca kapacita lítium-iónovej batérie sa rozpadne na zrýchlenú situáciu. Čím nižšia je teplota, tým rýchlejšie klesá kapacita. Násilné nabíjanie pri nízkych teplotách je mimoriadne škodlivé a je veľmi ľahké spôsobiť nehody súvisiace s tepelným únikom. Pri nízkych teplotách aktivita lítiových iónov a elektródových aktívnych materiálov klesá a rýchlosť, ktorou sa lítiové ióny vkladajú do materiálu zápornej elektródy, sa výrazne zníži. Keď je externý napájací zdroj nabitý výkonom presahujúcim prípustný výkon batérie, okolo zápornej elektródy sa nahromadí veľké množstvo lítiových iónov a ióny lítia zabudované v elektróde sú príliš neskoro na to, aby získali elektróny a potom sa priamo usadili na povrchu elektródy za vzniku kryštálov lítiových prvkov. Dendrit rastie, preniká priamo do membrány a preráža kladnú elektródu. Spôsobuje skrat medzi kladnou a zápornou elektródou, čo zase vedie k tepelnému úniku.

Okrem vážneho zhoršenia vybíjacej kapacity nemožno lítium-iónové batérie nabíjať pri nízkych teplotách. Pri nízkoteplotnom nabíjaní interkalácia lítiových iónov na grafitovej elektróde batérie a reakcia pokovovania lítiom koexistujú a navzájom si konkurujú. Pri nízkych teplotách je difúzia lítiových iónov v grafite inhibovaná a vodivosť elektrolytu klesá, čo vedie k zníženiu rýchlosti interkalácie a zvyšuje pravdepodobnosť výskytu reakcie pokovovania lítiom na povrchu grafitu. Hlavnými dôvodmi zníženia životnosti lítium-iónových batérií pri použití pri nízkych teplotách je zvýšenie vnútornej impedancie a degradácia kapacity v dôsledku vyzrážania lítiových iónov.

8. Dobré zabezpečenie

Bezpečnosť lítium-iónových batérií zahŕňa nielen stabilitu vnútorných materiálov, ale aj účinnosť pomocných bezpečnostných opatrení batérie. Bezpečnosť vnútorných materiálov sa týka pozitívnych a negatívnych materiálov, membrány a elektrolytu, ktoré majú dobrú tepelnú stabilitu, dobrú kompatibilitu medzi elektrolytom a materiálom elektródy a dobrú retardáciu plameňa samotného elektrolytu. Bezpečnostné pomocné opatrenia sa týkajú konštrukcie poistného ventilu článku, konštrukcie poistky, konštrukcie odporu citlivého na teplotu a citlivosti. Po zlyhaní jedného článku môže zabrániť šíreniu poruchy a slúžiť na účely izolácie.

9. Dobrá konzistencia

Prostredníctvom „sudového efektu“ chápeme dôležitosť konzistencie batérie. Konzistencia sa týka batériových článkov použitých v tej istej batérii, kapacita, napätie naprázdno, vnútorný odpor, samovybíjanie a ďalšie parametre sú extrémne malé a výkon je podobný. Ak konzistencia batériového článku s vlastným vynikajúcim výkonom nie je dobrá, jeho nadradenosť sa po vytvorení skupiny často vyhladí. Štúdie ukázali, že kapacita batérie po zoskupení je určená článkom s najmenšou kapacitou a životnosť batérie je kratšia ako životnosť najkratšieho článku.