Glede na zahteve skupinskih prijateljev se pogovorite o razumevanju hitrega polnjenja litijeve baterije:

Slika

S tem diagramom ponazorite postopek polnjenja baterije. Abscisa je čas, ordinata pa napetost. Na začetni stopnji polnjenja litijeve baterije bo potekal majhen trenutni postopek predpolnjenja, in sicer CC predhodno polnjenje, katerega cilj je stabilizirati anodni in katodni material. Po tem lahko baterijo nastavite na polnjenje z visokim tokom, in sicer CC Fast Charge, potem ko je baterija stabilna. Končno vstopi v način polnjenja s konstantno napetostjo (CV). Za litijevo baterijo sistem zažene način polnjenja s konstantno napetostjo, ko napetost doseže 4.2 V, polnilni tok pa se postopoma zmanjšuje, dokler se polnjenje ne konča, ko je napetost nižja od določene vrednosti.

Med celotnim postopkom obstajajo različni standardni polnilni tokovi za različne baterije. Na primer, za izdelke 3C je standardni polnilni tok na splošno 0.1C-0.5C, medtem ko je za visoko zmogljive baterije standardno polnjenje običajno 1C. Nizek polnilni tok se upošteva tudi zaradi varnosti baterije. Torej, recimo ob običajnem času hitrega polnjenja, to pomeni, da kaže na nekajkrat višji tok polnjenja od običajnega na desetkrat.

Nekateri pravijo, da je polnjenje litijevih baterij kot točenje piva, hitro in hitro polnjenje piva, vendar z veliko pene. Počasen je, počasen, vendar je veliko piva, je soliden. Hitro polnjenje ne le prihrani čas polnjenja, ampak tudi poškoduje samo baterijo. Zaradi pojava polarizacije v bateriji se bo največji polnilni tok, ki ga lahko sprejme, zmanjšal s povečanjem cikla polnjenja in praznjenja. Ko sta neprekinjeno polnjenje in polnilni tok velika, se koncentracija ionov na elektrodi poveča in polarizacija se intenzivira, napetost terminala akumulatorja pa ne more neposredno ustrezati naboju/energiji v linearnem razmerju. Hkrati bo visokotokovno polnjenje, povečanje notranjega upora povzročilo intenzivnejši učinek segrevanja Joule (Q=I2Rt), kar bo povzročilo stranske reakcije, kot so reakcijska razgradnja elektrolita, proizvodnja plina in vrsta težav, dejavnik tveganja nenadoma poveča, vpliva na varnost baterije, se bo življenjska doba nenapajalne baterije močno skrajšala.

01

Material anode

Postopek hitrega polnjenja litijeve baterije je hitra migracija in vgradnja Li+ v anodni material. Velikost delcev katodnega materiala lahko vpliva na odzivni čas in difuzijsko pot ionov v elektrokemičnem procesu baterije. Glede na študije se difuzijski koeficient litijevih ionov povečuje z zmanjšanjem velikosti zrn materiala. Vendar pa bo z zmanjšanjem velikosti delcev materiala prišlo do resnega aglomeracije delcev pri proizvodnji celuloze, kar bo povzročilo neenakomerno razpršitev. Hkrati bodo nanodelci zmanjšali gostoto stiskanja elektrodnega lista in povečali kontaktno površino z elektrolitom v procesu stranske reakcije polnjenja in praznjenja, kar vpliva na zmogljivost baterije.

Zanesljivejša metoda je modificiranje materiala pozitivne elektrode s prevleko. Na primer, sama prevodnost LFP ni zelo dobra. Prevleka površine LFP z ogljikovim materialom ali drugimi materiali lahko izboljša njegovo prevodnost, kar prispeva k izboljšanju zmogljivosti hitrega polnjenja baterije.

02

Anodni materiali

Hitro polnjenje litijeve baterije pomeni, da lahko litijevi ioni hitro pridejo ven in “plavajo” do negativne elektrode, kar zahteva, da ima katodni material sposobnost hitrega vgradnje litija. Anodni materiali, ki se uporabljajo za hitro polnjenje litijeve baterije, vključujejo ogljikov material, litijev titanat in nekatere druge nove materiale.

Pri ogljikovih materialih so litijevi ioni prednostno vgrajeni v grafit pod pogojem običajnega polnjenja, ker je potencial vgradnje litija podoben potencialu litijeve precipitacije. Vendar pa se lahko pod pogojem hitrega polnjenja ali nizke temperature litijevi ioni oborijo na površini in tvorijo dendritni litij. Ko je dendritni litij preluknjal SEI, je nastala sekundarna izguba Li+ in zmanjšala se je zmogljivost baterije. Ko kovina litija doseže določeno raven, bo zrasla od negativne elektrode do diafragme, kar bo povzročilo nevarnost kratkega stika baterije.

Kar zadeva LTO, spada v anodni material z ničelno obremenitvijo, ki vsebuje kisik, ki med delovanjem baterije ne proizvaja SEI in ima močnejšo sposobnost vezave z litijevimi ioni, ki lahko izpolnijo zahteve po hitrem polnjenju in sproščanju. Hkrati, ker SEI ni mogoče tvoriti, bo anodni material neposredno v stiku z elektrolitom, kar spodbuja pojav stranskih reakcij. Problema nastajanja plina iz akumulatorja LTO ni mogoče rešiti in ga je mogoče ublažiti le s spremembo površine.

03

Tekočina za elektrode

Kot je navedeno zgoraj, bo v procesu hitrega polnjenja baterija zaradi neskladnosti hitrosti migracije litijevih ionov in hitrosti prenosa elektronov imela veliko polarizacijo. Torej, da bi zmanjšali negativno reakcijo, ki jo povzroča polarizacija baterije, so za razvoj elektrolita potrebne naslednje tri točke: 1, elektrolitska sol z visoko disociacijo; 2, kompozit topila – nižja viskoznost; 3, nadzor vmesnika – nižja membranska impedanca.

04

Razmerje med proizvodno tehnologijo in hitrim polnjenjem

Pred tem smo analizirali zahteve in vplive hitrega polnjenja iz treh ključnih materialov, kot so materiali pozitivnih in negativnih elektrod ter elektrodna tekočina. Sledi zasnova procesa, ki ima relativno velik vpliv. Tehnološki parametri proizvodnje baterij neposredno vplivajo na migracijsko odpornost litijevih ionov v vsakem delu baterije pred in po aktivaciji baterije, zato imajo tehnološki parametri priprave baterije pomemben vpliv na delovanje litij-ionske baterije.

(1) gnojevka

Za lastnosti brozge je po eni strani potrebno, da je prevodno sredstvo enakomerno razpršeno. Ker je prevodno sredstvo enakomerno razporejeno med delci učinkovine, se lahko med učinkovino in učinkovino ter zbiralno tekočino oblikuje bolj enakomerna prevodna mreža, ki ima funkcijo zbiranja mikrotoka, zmanjšanja kontaktne odpornosti, in lahko izboljša hitrost gibanja elektronov. Po drugi strani je treba preprečiti prekomerno razpršitev prevodnega sredstva. V procesu polnjenja in praznjenja se bo kristalna struktura anodnih in katodnih materialov spremenila, kar lahko povzroči luščenje prevodnega sredstva, poveča notranjo upornost baterije in vpliva na delovanje.

(2) Izjemno delna gostota

V teoriji so množilne baterije in baterije z visoko zmogljivostjo nezdružljive. Ko je gostota polarizacije pozitivnih in negativnih elektrod nizka, se lahko poveča hitrost difuzije litijevih ionov in zmanjša odpornost na migracijo ionov in elektronov. Manjša kot je površinska gostota, tanjša je elektroda, manjša pa je tudi sprememba strukture elektrode, ki jo povzroča neprekinjeno vstavljanje in sproščanje litijevih ionov pri polnjenju in praznjenju. Če pa je površinska gostota prenizka, se bo energetska gostota baterije zmanjšala in stroški se bodo povečali. Zato je treba površinsko gostoto obravnavati celovito. Naslednja slika je primer polnjenja litij kobalatne baterije pri 6C in praznjenja pri 1C.

Slika

(3) Konzistenca prevleke polarnega kosa

Prej je prijatelj vprašal, ali bo izjemno delna nedoslednost gostote vplivala na baterijo? Mimogrede, za hitro polnjenje je glavna konsistenca anodne plošče. Če negativna površinska gostota ni enakomerna, se bo notranja poroznost živega materiala po valjanju močno razlikovala. Razlika v poroznosti bo povzročila razliko v porazdelitvi notranjega toka, kar bo vplivalo na nastanek in delovanje SEI v fazi tvorbe baterije in na koncu vplivalo na zmogljivost hitrega polnjenja baterije.

(4) Gostota stiskanja pol pločevine

Zakaj je treba stebre stisniti? Eden je izboljšati specifično energijo baterije, drugi pa izboljšati zmogljivost baterije. Optimalna gostota stiskanja se razlikuje glede na material elektrode. S povečanjem gostote stiskanja, manjša je poroznost elektrodnega lista, tesnejša je povezava med delci in manjša je debelina elektrodnega lista pod enako površinsko gostoto, zato se lahko zmanjša pot migracije litijevih ionov. Kadar je gostota stiskanja prevelika, učinek infiltracije elektrolita ni dober, kar lahko uniči strukturo materiala in porazdelitev prevodnega sredstva, kasneje pa se pojavi problem navijanja. Podobno se litijeva kobalatna baterija polni pri 6C in izprazni pri 1C, vpliv gostote stiskanja na specifično zmogljivost praznjenja pa je prikazan na naslednji način:

Slika

05

Formacijsko staranje in drugo

Za ogljikovo negativno baterijo je nastanek – staranje ključni proces litijeve baterije, ki bo vplival na kakovost SEI. Debelina SEI ni enakomerna ali pa je struktura nestabilna, kar bo vplivalo na zmogljivost hitrega polnjenja in življenjsko dobo baterije.

Poleg zgornjih več pomembnih dejavnikov bo proizvodnja celic, polnjenja in praznjenja močno vplivala na zmogljivost litijeve baterije. S podaljšanjem servisnega časa je treba hitrost polnjenja baterije zmerno zmanjšati, sicer se bo polarizacija poslabšala.

Sklenitev

Bistvo hitrega polnjenja in praznjenja litijevih baterij je v tem, da se litijevi ioni lahko hitro vgradijo med anodne in katodne materiale. Lastnosti materiala, zasnova procesa ter sistem polnjenja in praznjenja baterij vplivajo na zmogljivost visokotokovnega polnjenja. Strukturna stabilnost anodnih in anodnih materialov je ugodna za hiter delitijev proces, ne da bi povzročil strukturni kolaps, litijevi ioni v stopnji difuzije materiala so hitrejši, da lahko prenesejo visokotokovno polnjenje. Zaradi neusklajenosti med hitrostjo migracije ionov in hitrostjo prenosa elektronov se bo v procesu polnjenja in praznjenja pojavila polarizacija, zato je treba polarizacijo zmanjšati na minimum, da preprečimo obarjanje kovine litija in zmanjšamo sposobnost vplivanja na življenjsko dobo.