Wie kann das elektrochemische Gleichgewicht von Lithium-Ionen-Batterien gelöst werden?

Batterien bestehen im Allgemeinen aus Hunderten oder Tausenden von Zellmonomeren, sodass die Batteriekapazität auch von einzelnen Zellen beeinflusst wird. Studien haben gezeigt, dass eine einzelne Zelle, selbst wenn sie eine mehr als 1000-fache Lebensdauer hat, eine Batterie bildet. Nach dem Akku kann die Akkulaufzeit weniger als das 200-fache betragen. Dies zeigt, dass das Gleichgewicht des Akkus sehr wichtig ist.

Lange Zeit ist die geringe Konsistenz von Lithium-Ionen-Zellmonomeren ein schwieriges Problem bei der Konstruktion von Lithium-Ionen-Batterien. Hier bezieht sich die Konsistenz nicht nur auf die traditionellen Parameter wie Kapazität und Spannung. Es enthält auch Faktoren wie die Rate des Kapazitätsabfalls, die Rate des Innenwiderstandsabfalls und die Temperaturverteilung der Batterie.

Im Idealfall sollte dieselbe Charge von Lithium-Ionen-Batterien dieselben elektrochemischen Eigenschaften aufweisen. Aufgrund von Fehlern im Herstellungsprozess treten jedoch tatsächlich Inkonsistenzen zwischen Lithium-Ionen-Monomer-Batterien auf. Batterien bestehen oft aus Hunderten oder sogar Tausenden einzelner Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Daher wird die Kapazität des Akkus stark von der Inkonsistenz der einzelnen Zelle beeinflusst (die Inkonsistenzen, die den größten Einfluss auf die Leistung des Akkus haben, umfassen die Inkonsistenz der Coulomb-Effizienz, die Inkonsistenz der Selbstentladungsrate, Die Inkonsistenz des Innenwiderstands erhöht die Geschwindigkeit usw.) Studien haben gezeigt, dass selbst wenn die Zykluslebensdauer einer einzelnen Zelle mehr als das 1000-fache erreicht, die Batterielebensdauer nach der Bildung eines Batteriepacks weniger als das 200-fache betragen kann.

Daher ist für einen Batteriepack, der aus einer großen Anzahl von Monomerzellen besteht, eine Gleichgewichtsausrüstung erforderlich. Die übliche Gleichgewichtsmethode auf der Auflistungsoberfläche besteht hauptsächlich darin, mit Hilfe elektronischer Geräte ein Spannungsgleichgewicht zwischen Monomerzellen zu erreichen, daher ist die Technologie auch sehr ähnlich. Alexander U. Schmid von der Universität Stuttgart in Deutschland verwendete kürzlich Ni-Metallhydridzellen (NiMH) und Ni-Zn-Zellen, um ein elektrochemisches Gleichgewicht von Batterien zu erreichen, und lieferte eine neue Idee für das Batteriegleichgewicht.

Aufgrund der Einschränkung des Funktionsprinzips von Lithium-Ionen-Batterien ist ihre Fähigkeit, einer Überladung zu widerstehen, sehr schwach. Im Falle einer Überladung können Elektrolytzersetzung und Lithiumanalyse auftreten. Im Falle einer Überladung der NiMH-Batterie zersetzt H2O im Elektrolyten das von den positiven und negativen Polen erzeugte O2 und H2, und O2 und H2 können unter Einwirkung eines Katalysators unter Bildung von Wasser zu einem vollständigen Zyklus rekombiniert werden. Bei der geringen Vergrößerung von C / 3-C / 10 entspricht die Gaserzeugungsrate fast der Rekombinationsrate, sodass der NiMH-Akku eine sehr gute Überladungsbeständigkeit aufweist. Basierend auf den oben genannten Prinzipien, AlexanderU. Schmid verwendete NiMH-Zellen und ähnliche Ni-Zn-Zellen, um Lithium-Ionen-Batterien auszugleichen. Bei Verwendung dieses elektrochemischen Gleichgewichtsverfahrens können herkömmliche Spannungsüberwachungs- und elektronische Gleichgewichtseinheiten weggelassen werden, was die Komplexität des Batteriemanagements effektiv verringert und die Zuverlässigkeit des Batteriepacks verbessert.

AlexanderU.Schmid wählte LiFePO4- und Li4TI5O12-Materialien als experimentelle Objekte aus, da beide Materialien eine gewisse Toleranz gegenüber Überladung aufweisen und die Spannung nach vollständigem Delithium schnell ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt übernehmen die NiMH- und Ni-Zn-Batterien die Rolle des Stroms Byass, und der überschüssige Strom fließt in die NiMH- und Ni-Zn-Batterien, wodurch ein Überladen der Lithium-Ionen-Batterien vermieden wird.

Das Funktionsprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die ausgeglichene NiMH-Zelle oder Ni-Zn-Zelle ist parallel mit einer Lithium-Ionen-Zelle verbunden. Wenn eine Gruppe von Serienzellen mit geringer Kapazität im Akkupack vollständig aufgeladen ist, erreicht die Spannung den Schwellenwert. Zu diesem Zeitpunkt übernahm der parallel dazu befindliche NiMH-Akku die Rolle eines Shunts. Grundsätzlich strömten alle Ströme durch den NiMH-Akku und nicht mehr durch den Lithium-Ionen-Akku, wodurch ein Überladen des Lithium-Ionen-Akkus vermieden wurde. Bei diesem Vorgang sind die Änderungen der Spannung und des Stroms der Lithium-Ionen-Batterie und des NiMH in Abbildung B dargestellt. Bei perfekter Übereinstimmung wird der Strom des Lithium-Ionen-Akkus als rote Kurve angezeigt.

Die Arbeit von AlexanderU.Schmid liefert eine neue Idee für die Batteriebilanz. Aufgrund der Designeigenschaften der NiMH- und NiZn-Zellen zersetzt sich das Wasser im Elektrolyten bei Überladung an den positiven bzw. negativen Polen und erzeugt O2 und H2. Unter der Wirkung des Katalysators in der Batterie wird O2 mit H2 kombiniert, um Wasser zu erzeugen und einen Zyklus abzuschließen, sodass NiMH und NiZn sehr gute Anti-Überladungseigenschaften haben, und wir können dies einfach nutzen. Mit einem oder mehreren Tandem-NiMH- und NiZn-batterien parallel zu Lithium-Ionen-Batterien fließt der Strom fast vollständig durch die NiMH- und NiZn-Batterien, wenn die Ladespannung die Obergrenze erreicht, wodurch ein Überladen der Lithium-Ionen-Batterien vermieden wird. Wir können dies auch verwenden, um die Lithium-Ionen-Batterien auszugleichen. Wir können sicherstellen, dass alle Zellen vollständig aufgeladen werden können, solange wir die Batterien weiter aufladen, ohne befürchten zu müssen, dass einige Zellen überladen werden, wodurch die Konsistenz der internen Kapazität der Batterie verbessert wird. Das Experiment bestätigte auch, dass ein Lade- und Entladezyklus ein Kapazitätsgleichgewicht von 8% (LFP / C -2 NiZn) erreichen kann. Der größte Vorteil dieser Methode ist, dass die Spannungsüberwachung der einzelnen Zellen im Akkupack nicht im gesamten Prozess erforderlich ist. Es ist vollautomatisch, vereinfacht die Struktur des Akkus erheblich und verbessert die Zuverlässigkeit des Akkus.

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