ปัจจัยใดที่มีผลต่อการชาร์จแบตเตอรี่?

July 23, 2018

ข่าวเครือข่ายการจัดเก็บพลังงานของจีน:

แบตเตอรี่ลิเธียมเรียกว่าแบตเตอรี่ "rocking chair type" ไอออนประจุจะเคลื่อนที่ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบเพื่อให้เกิดการถ่ายเทประจุการจ่ายกระแสไฟจากภายนอกหรือเพื่อชาร์จจากแหล่งจ่ายไฟภายนอก
ระหว่างกระบวนการชาร์จเฉพาะแรงดันไฟฟ้าภายนอกจะถูกนำไปใช้กับขั้วทั้งสองขั้วแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกปั่นจากวัสดุอิเล็คโทรดบวกป้อนอิเล็กโทรไลต์และในเวลาเดียวกันอิเล็กตรอนส่วนเกินจะถูกสร้างขึ้นเพื่อผ่านตัวเก็บประจุบวกในปัจจุบัน และขยับไปขั้วลบผ่านทางวงจรภายนอก ลิเธียมไอออนอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ ขั้วบวกขยับไปทางขั้วลบและผ่านตัวคั่นเพื่อไปถึงขั้วบวกลบ ฟิล์ม SEI ที่ผ่านพื้นผิวของขั้วลบติดลบจะฝังอยู่ในโครงสร้างชั้นแกรไฟต์ลบและเชื่อมโยงกับอิเล็กตรอน
ระหว่างการทำงานของอิออนและอิเลคตรอนทั้งหมดโครงสร้างแบตเตอรี่ที่มีผลต่อการถ่ายเทประจุไม่ว่าจะเป็นทางเคมีไฟฟ้าหรือทางกายภาพจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการชาร์จอย่างรวดเร็ว
ต้องการชาร์จไฟอย่างรวดเร็วสำหรับชิ้นส่วนต่างๆของแบตเตอรี่
สำหรับแบตเตอรี่ถ้าคุณต้องการปรับปรุงสมรรถนะด้านกำลังไฟคุณจำเป็นต้องทำงานหนักในทุกด้านของแบตเตอรี่เช่นขั้วบวกขั้วลบอิเล็กโทรไลต์ไดอะแฟรมและโครงสร้าง

ขั้วบวก
ในความเป็นจริงเกือบทุกชนิดของวัสดุแคโทดสามารถนำมาใช้เพื่อทำแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว การแสดงหลักที่ต้องได้รับการรับรอง ได้แก่ ความเป็นผู้นำ (การลดความต้านทานภายใน) การแพร่กระจาย (จลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาการรับประกัน) อายุการใช้งานยาวนาน (ไม่จำเป็นต้องอธิบาย) และความปลอดภัย (ไม่จำเป็น) อธิบาย) ประสิทธิภาพการประมวลผลที่ถูกต้อง (พื้นผิวที่เฉพาะเจาะจงไม่สามารถมีขนาดใหญ่เกินไปลดปฏิกิริยาด้านข้างสำหรับบริการความปลอดภัย)
แน่นอนปัญหาที่จะแก้ไขได้สำหรับแต่ละวัสดุที่เฉพาะเจาะจงอาจแตกต่างกันไป แต่วัสดุแคโทดทั่วไปของเราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพผ่านชุดของการเพิ่มประสิทธิภาพ แต่วัสดุที่แตกต่างกันยังแตกต่างกัน:
A. ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตอาจเน้นการแก้ปัญหาเรื่องการนำไฟฟ้าและอุณหภูมิต่ำ เคลือบคาร์บอน, nanocrystallization ปานกลาง (ทราบว่าเป็นปานกลางไม่แน่นอนเป็นปรับตรรกะง่ายๆ) การก่อตัวของตัวนำไอออนิกบนพื้นผิวของอนุภาคเป็นกลยุทธ์ทั่วไปมากที่สุด
B วัสดุ ternary ตัวเองมี conductance ดี แต่ปฏิกิริยาของมันสูงเกินไปดังนั้นวัสดุ ternary มีการทำงาน nanocrystallization น้อย (nanocrystallization ไม่ได้เป็นยาแก้พิษเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุโลหะโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตข้อมูลของแบตเตอรี่มี เป็นปฏิกิริยาบางครั้งในระบบให้ความสนใจมากขึ้นเพื่อความปลอดภัยและการยับยั้ง (และอิเล็กโทรไล) ผลข้างเคียงโดยทั่วไปเป้าหมายหลักของวัสดุ ternary คือความปลอดภัยอุบัติเหตุความปลอดภัยแบตเตอรี่ล่าสุดยังเป็นประจำ
C, lithium manganate มีความสำคัญต่อชีวิตมากขึ้นมีแบตเตอรี่ลิเธียม manganate ที่มีการชาร์จไฟอย่างรวดเร็วในตลาด
ขั้วลบ
เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกชาร์จลิเธียมจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบ ศักยภาพที่สูงเกินไปที่เกิดจากการชาร์จอย่างรวดเร็วและกระแสไฟฟ้าสูงจะทำให้ศักย์ไฟฟ้าขั้วลบติดลบมากขึ้น ขณะนี้ความดันของขั้วลบที่รับลิเทียมอย่างรวดเร็วจะมีขนาดใหญ่ขึ้นและแนวโน้มในการสร้าง dendrites ลิเธียมจะกลายเป็นขนาดใหญ่ ดังนั้นอิเลคโตรขั้วลบต้องไม่เพียงตอบสนองต่อการแพร่กระจายของลิเธียมระหว่างการชาร์จไฟอย่างรวดเร็ว ความต้องการเกี่ยวกับการเคลื่อนไหว แต่ยังเพื่อแก้ปัญหาความปลอดภัยที่เกิดจากแนวโน้มการเพิ่มขึ้นของการก่อตัวลิเทียม dendrite ดังนั้นปัญหาทางเทคนิคหลักของแกนชาร์จเร็วคือการใส่ลิเธียมไอออนในขั้วลบ
A. ปัจจุบันวัสดุแอโนดที่โดดเด่นในตลาดยังคงเป็นแกรไฟต์ (คิดเป็นประมาณ 90% ของส่วนแบ่งการตลาด) สาเหตุหลักคือไม่มีราคาถูกและประสิทธิภาพในการประมวลผลที่ครอบคลุมและความหนาแน่นของพลังงานของกราไฟต์เป็นเลิศและ ข้อเสียค่อนข้างน้อย . แน่นอนว่าแกรไฟต์แอโนดยังมีปัญหา ผิวมีความไวต่ออิเล็กโทรไลต์และปฏิกิริยาการแทรกสอดลิเธียมมีทิศทางที่แข็งแกร่ง ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องทำงานหนักเพื่อให้ได้ผิวเคลือบกราไฟท์ปรับปรุงเสถียรภาพของโครงสร้างและส่งเสริมการแพร่กระจายของไอออนลิเธียมบนพื้นผิว ทิศทาง.
B. คาร์บอนคาร์บอนและวัสดุอ่อนคาร์บอนได้พัฒนาขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมา: วัสดุคาร์บอนแข็งมีศักยภาพในการแทรกซึมลิเธียมสูง micropores ในวัสดุและจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาที่ดี; และวัสดุคาร์บอนอ่อนมีความเข้ากันได้ดีกับอิเล็กโทรไลต์, MCMB วัสดุยังเป็นตัวแทนมาก แต่วัสดุคาร์บอนแข็งและอ่อนมักจะมีประสิทธิภาพต่ำและมีต้นทุนสูง (และลองนึกภาพว่าแกรไฟต์เป็นราคาถูกเพราะฉันหวังว่าจากจุดอุตสาหกรรมของ ดู) ดังนั้นจำนวนเงินที่น้อยกว่าแกรไฟต์และใช้มากขึ้นในบางพิเศษ เกี่ยวกับแบตเตอรี่
C, วิธีการเกี่ยวกับ lithium titanate? ที่จะนำมันเพียง: lithium titanate มีข้อได้เปรียบของความหนาแน่นของพลังงานสูงความปลอดภัยและข้อเสียที่เห็นได้ชัด ความหนาแน่นของพลังงานต่ำมากและต้นทุนการคำนวณสูงตาม Wh ดังนั้นมุมมองของแบตเตอรี่ลิเธียมไทเทเนียมเป็นเทคโนโลยีที่เป็นประโยชน์ซึ่งเป็นประโยชน์ในบางโอกาส แต่ไม่เหมาะกับหลายโอกาสที่ต้นทุนและช่วงการล่องเรือสูง
D วัสดุซิลิคอนแอโนดเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของแบตเตอรี่ใหม่ของพานาโซนิค 18650 ได้เริ่มกระบวนการเชิงพาณิชย์สำหรับวัสดุดังกล่าว แต่การที่จะบรรลุความสมดุลระหว่างการแสวงหาผลการปฏิบัติงานในด้านนาโนเทคโนโลยีและข้อกำหนดด้านวัสดุขนาดจิ๋วของอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โดยทั่วไปยังคงเป็นงานที่ท้าทาย

กะบังลม
สำหรับแบตเตอรี่ที่ใช้พลังงานสูงการใช้งานที่สูงจะทำให้มีความปลอดภัยและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น เทคโนโลยีการเคลือบผิวด้วยแผ่นไม้อัดไม่สามารถแยกออกได้ เมมเบรนเคลือบเคลือบเซรามิกถูกผลักออกไปอย่างรวดเร็วเนื่องจากความปลอดภัยสูงและความสามารถในการใช้สิ่งสกปรกในอิเล็กโทรไลต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่สามมิติผลความปลอดภัยเป็นที่โดดเด่นโดยเฉพาะอย่างยิ่ง
ระบบหลักที่ใช้ในเซรามิคไดอะแฟรมคือการเคลือบอนุภาคอลูมินาบนพื้นผิวของไดอะแฟรมแบบเดิม วิธีการใหม่คือการเคลือบเส้นใยอิเลคโตรไลต์ที่เป็นของแข็งลงบนเมมเบรน เมมเบรนดังกล่าวมีความต้านทานภายในต่ำและการสนับสนุนทางกลสำหรับเมมเบรน ดีเยี่ยมและมีแนวโน้มลดลงเพื่อป้องกันไม่ให้รูไดอะแฟรมระหว่างการให้บริการ
หลังจากการเคลือบตัวคั่นมีเสถียรภาพดี แม้ว่าอุณหภูมิจะค่อนข้างสูง แต่ก็ไม่ง่ายที่จะหดตัวและทำให้รูปร่างผิดปกติส่งผลให้ลัดวงจร Jiangsu Qingtao พลังงาน จำกัด การสนับสนุนด้านเทคนิคของนักวิชาการวิจัยของ Tsinghua University School of Materials มีลักษณะบางอย่างในแง่นี้ งานไดอะแฟรมแสดงไว้ด้านล่าง
อิเล็กโทร
อิเล็กโทรไลต์มีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จไฟได้อย่างรวดเร็ว อิเล็กโทรไลต์ควรเป็นไปตามลักษณะดังต่อไปนี้: A) ไม่สามารถย่อยสลายได้ B) ค่าการนำไฟฟ้าสูง C) ไม่เฉื่อยกับวัสดุที่เป็นบวกและลบ ไม่ตอบสนองหรือละลาย
ถ้าจำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดเหล่านี้กุญแจสำคัญคือการใช้วัตถุเจือปนและอิเล็กโทรไลต์เชิงหน้าที่ ตัวอย่างเช่นความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่ชาร์จประจุความเร็วสูงได้รับผลกระทบอย่างมาก จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิป้องกันอุณหภูมิสูงสารหน่วงไฟและป้องกันการประจุไฟเกินราคาเพื่อป้องกันอันตรายในระดับหนึ่ง ปัญหาของแบตเตอรี่ลิเธียมไททาเนตเก่า, ท้องอืดอุณหภูมิสูงยังขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรไลทำงานที่อุณหภูมิสูง
การออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่
กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพโดยทั่วไปคือแบบคดเคี้ยวแบบเรียงซ้อนกัน ขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่เคลือบจะเทียบเท่ากับความสัมพันธ์แบบคู่ขนานและชนิดขดลวดจะเท่ากับการเชื่อมต่อเป็นชุด ดังนั้นความต้านทานภายในของอดีตมีขนาดเล็กมากและเหมาะกับชนิดของกำลัง โอกาส.
นอกจากนี้คุณสามารถทำงานหนักกับจำนวนขั้วเพื่อแก้ปัญหาความต้านทานภายในและปัญหาการกระจายความร้อน นอกจากนี้การใช้วัสดุอิเล็กโทรดที่มีความเป็นฉนวนสูงการใช้สารตัวนำไฟฟ้าและการเคลือบทินเนอร์อิเล็กโทรดยังเป็นกลยุทธ์ที่สามารถพิจารณาได้
ในระยะสั้นปัจจัยที่มีผลต่อการเคลื่อนที่ของแบตเตอรี่ภายในและอัตราการฝังขั้วอิเล็กโทรดจะส่งผลต่อความสามารถในการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมได้อย่างรวดเร็ว

中国储能网讯:锂电池被称为“摇椅型”电池,带电离子在正负极之间运动,实现电荷转移,给外部电路供电或者从外部电源充电

具体的充电过程中,外电压加载在电池的两极,锂离子从正极材料中脱嵌,进入电解液中,同时产生多余电子通过正极集流体,经外部电路向负极运动;锂离子在电解液中从正极向负极运动,穿过隔膜到达负极;经过负极表面的SEI膜嵌入到负极石墨层状结构中,并与电子结合

在整个离子和电子的运行过程,对电荷转移产生影响的电池结构,无论电化学的还是物理的,都将对快速充电性能产生影响

快充对电池各部分的要求

对于电池来说,如果要提升功率性能,需要在电池整体的各个环节中都下功夫,主要包括正极,负极,电解液,隔膜和结构设计等

正极

实际上,各种正极材料几乎都可以用来制造快充型电池,主要需要保证的性能包括电导(减少内阻)扩散(保证反应动力学)寿命(不需要解释)安全(不需要解释)适当的加工性能(比表面积不可太大,减少副反应,为安全服务)

当然,对于每种具体材料要解决的问题可能有所差异,但是我们一般常见的正极材料都可以通过一系列的优化来满足这些要求,但是不同材料也有所区别:

A,磷酸铁锂可能更侧重于解决电导,低温方面的问题.进行碳包覆,适度纳米化(注意,是适度,绝对不是越细越好的简单逻辑)在颗粒表面处理形成离子导体都是最为典型的策略

B,三元材料本身电导已经比较好,但是其反应活性太高,因此三元材料少有进行纳米化的工作(纳米化可不是什么万金油式的材料性能提升的解药,尤其是在电池领域中有时还有好多反作用)更多在注重安全性和抑制(与电解液的)副反应,毕竟目前三元材料的一大命门就在于安全,近来的电池安全事故频发也对此方面提出了更高的要求

C,锰酸锂是则对于寿命更为看重,目前市面上也有不少锰酸锂系的快充电池

负极

锂离子电池充电的时候,锂向负极迁移.而快充大电流带来的过高电位会导致负极电位更负,此时负极迅速接纳锂的压力会变,生成锂枝晶的倾向会变大,因此快充时负极不仅要满足锂扩散的动力学要求,更要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题,所以快充电芯实际上主要的技术难点为锂离子在负极的嵌入.

A,目前市场上占有统治地位的负极材料仍然是石墨(占市场份额的90%左右)根本原因无他-便宜,以及石墨综合的加工性能,能量密度方面都比较优秀,缺点相对较少.石墨负极当然也有问题,其表面对于电解液较为敏感,锂的嵌入反应带有强的方向性,因此进行石墨表面处理,提高其结构稳定性,促进锂离子在基上的扩散是主要需要努力的方向

B,硬碳和软碳类材料近年来也有不少的发展:硬碳材料嵌锂电位高,材料中有微孔因此反应动力学性能良好;而软碳材料与电解液相容性, MCMB材料也很有代表性,只是硬软碳材料普遍效率偏低,成本较高(而且想像石墨一样便宜恐怕从工业角度上看希望不大)因此目前用量远不及石墨,更多用在一些特种电池上

C,钛酸锂如何简单说一下:.钛酸锂的优点是功率密度高,较安全,缺点也明显,能量密度很低,按Wh计算成本很高因此对于钛酸锂电池的观点是一种有用的在特定场合下有优势的技术,但是对于很多对成本,续航里程要求较高的场合并不太适用

D,硅负极材料是重要的发展方向,松下的新型18650电池已经开始了对此类材料的商用进程.但是如何在纳米化追求性能与电池工业对于材料的一般微米级的要求方面达到一个平衡,仍是比较有挑战性的工作

隔膜

对于功率型电池,大电流工作对其安全,寿命上提供了更高的要求.隔膜涂层技术是绕不开的,陶瓷涂层隔膜因为其高安全,可以消耗电解液中杂质等特性正在迅速推开,尤其对于三元电池安全性的提升效果格外显著

陶瓷隔膜目前主要使用的体系是把氧化铝颗粒涂布在传统隔膜表面,比较新颖的做法是将固态电解质纤维涂在隔膜上,这样的隔膜的内阻更低,纤维对于隔膜的力学支撑效果更优,而且在服役过程中其堵塞隔膜孔的倾向更低

涂层以后的隔膜,稳定性好,即使温度比较高,也不容易收缩变形导致短路,清华大学材料学院南策文院士课题组技术支持的江苏清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作,隔膜如下图所示

电解液

电解液对于快充锂离子电池的性能影响很大要保证电池在快充大电流下的稳定和安全性,此时电解液要满足以下几个特性:. A)不能分解, B)导电率要高, c)对正负极材料是惰性的,不能反应或溶解

如果要达到这几个要求,关键要用到添加剂和功能电解质.比如三元快充电池的安全受其影响很大,必须向其中加入各种抗高温类,阻燃类,防过充电类的添加剂保护,才能一定程度上提高其安全性.而钛酸锂电池的老大难问题,高温胀气,也得靠高温功能型电解液改善

电池结构设计

典型的一个优化策略就是叠层式VS卷绕式,叠层式电池的电极之间相当于是并联关系,卷绕式则相当于是串联,因此前者内阻要小的多,更适合用于功率型场合

另外也可以在极耳数目上下功夫,解决内阻和散热问题.此外使用高电导的电极材料,使用更多的导电剂,涂布更薄的电极也都是可以考虑的策略

总之,影响电池内部电荷移动和嵌入电极孔穴速率的因素,都会影响锂电池快速充电能力