Warum kann eine Lithiumbatterie keine hohe Leistung und hohe Energiedichte haben?

Bei reinen Elektrofahrzeugen mit Lithium-Ionen-Batterien ist die Schwierigkeit des Ladens immer noch ein großes Problem, so dass das "Schnellladen" für viele Hersteller zu einer Spielerei geworden ist. Nach Meinung des Autors muss das Problem des schnellen Ladens von Lithiumbatterien auf zwei Ebenen analysiert werden.

Auf Zellebene wird die Multiplikatorleistung einer Lithium-Ionen-Batterie durch die intrinsischen Übertragungseigenschaften des Kollokationssystems aus Anode / Elektrolyt / negativem Elektrodenmaterial einerseits und andererseits auch durch die Chiptechnologie und das Zellstrukturdesign eingeschränkt ein großer Einfluss auf die Multiplikatorleistung. In Bezug auf Trägerleitung und Transportbetrieb ist Lithium jedoch nicht zum "Schnellladen" geeignet. Die intrinsische Trägerleitung und der Transport des Lithiumsystems hängen von der Leitfähigkeit der Anoden- und Kathodenmaterialien, dem Lithiumionendiffusionskoeffizienten und der Leitfähigkeit des organischen Elektrolyten ab.

Basierend auf dem eingebetteten Reaktionsmechanismus von Lithiumionen in Anodenmaterialien (eindimensionale Ionenkanäle von Olivin, zweidimensionale Kanalschichtmaterialien und dreidimensionales Spinellkathodenmaterial) und negativen Graphitanodenmaterialien (Schichten) ist der Diffusionskoeffizient im Allgemeinen ein Wassersystem der Sekundärbatterie aus Phase REDOX Reaktionsgeschwindigkeit konstant niedrig mehrere Größenordnungen. Darüber hinaus ist die Ionenleitfähigkeit des organischen Elektrolyten zwei Größenordnungen niedriger als die des sekundären Batterieelektrolyten des Wassersystems (starke Säure oder starke Base).

Die negative Elektrode der Lithiumbatterie hat einen SEI-Film auf ihrer Oberfläche. Die Polarisation der Pulverelektrode in organischem Elektrolyten ist viel schwerwiegender als die des Wassersystems. Außerdem kann unter der Bedingung einer Aufladung mit hoher Vergrößerung das Gitter des positiven Materials leicht beschädigt werden, und die negative Graphitfolienschicht kann ebenfalls beschädigt werden. All diese Faktoren beschleunigen die Dämpfung der Kapazität und beeinträchtigen somit die Lebensdauer der Leistungsbatterie erheblich.

Daher bestimmen die intrinsischen Eigenschaften der eingebetteten Reaktion, dass Lithiumionenbatterien nicht zum Laden mit hoher Geschwindigkeit geeignet sind. Die Forschungsergebnisse haben bestätigt, dass die Lebensdauer einer einzelnen Batterie im Schnelllade- und Schnellwechselmodus erheblich verkürzt wird und die Batterieleistung in der späteren Nutzungsdauer erheblich abnimmt.

Ein Leser könnte natürlich sagen, ist es nicht möglich, Lithiumtitanat (LTO) -Batterien mit hohen Raten zu laden und zu entladen? Die Multiplizität von Lithiumtitanat kann durch seine Kristallstruktur und seinen Ionendiffusionskoeffizienten erklärt werden. Die Energiedichte der Lithiumtitanatbatterie ist jedoch sehr gering, und ihre Verwendung des Leistungstyps erfolgt auf Kosten der Energiedichte, was zu den hohen Energiekosten pro Einheit ($ / Wh) der Lithiumtitanatbatterie und der geringen Kostenleistung führt stellt fest, dass lithiumtitanat-batterien nicht zum Mainstream der Entwicklung von Lithiumbatterien werden können. In der Tat sind die schleppenden Verkäufe der SCiB-Batterien von Toshiba in den letzten Jahren bezeichnend.

Auf Zellebene kann die Multifaktorleistung aus Sicht der Chiptechnologie und des Zellstrukturdesigns verbessert werden, z. B. indem die Elektrode dünner gemacht oder das Verhältnis des leitenden Mittels erhöht wird. Darüber hinaus haben einige Hersteller extreme Maßnahmen ergriffen, z. B. das Entfernen der Thermistoren aus den Zellen und das Eindicken der Kollektorflüssigkeit. Tatsächlich haben viele inländische Unternehmen für Strombatterien ihre LFP-Strombatterie in 30 ° C oder sogar 50 ° C Hochleistungsdaten als technisches Highlight.

Ich möchte hier darauf hinweisen, dass dies als Test ja ist, aber was in der Zelle passiert, ist der Schlüssel. Mit langer Zeit und hoher Lade- und Entladerate kann die Struktur von positiven und negativen Materialien zerstört worden sein, und Lithium wurde bereits von der negativen Elektrode getrennt. Diese Probleme müssen mit einigen In-situ-Nachweismethoden (wie SEM, XRD und Neutronenbeugung usw.) identifiziert werden. Leider gibt es nur wenige Berichte über die Anwendung dieser In-situ-Erkennungsmethoden in inländischen Batterieunternehmen.

Hier erinnert der Autor den Leser auch daran, auf den Unterschied zwischen dem Lade- und Entladevorgang einer Lithiumbatterie zu achten. Anders als beim Ladevorgang ist der Schaden, der durch das Entladen einer Lithiumbatterie mit hoher Leistung (externe Arbeit) verursacht wird, nicht so schwerwiegend wie der durch schnelles Laden verursachte Schaden, der anderen Sekundärbatterien in Wassersystemen ähnelt. Für den praktischen Einsatz von Elektrofahrzeugen ist die Notwendigkeit einer Hochgeschwindigkeitsladung (Schnellladung) zweifellos dringlicher als eine große Stromentladung.

Wenn es um das Niveau des Akkus geht, wird die Situation komplizierter. Während des Ladevorgangs sind die Ladespannung und der Ladestrom verschiedener Einzelbatterien nicht konsistent, was zwangsläufig dazu führt, dass die Ladezeit von Leistungsbatterien die von Einzelbatterien überschreitet. Das bedeutet, dass der Akku beim herkömmlichen Laden in 30 Minuten mit Sicherheit die halbe Kapazität eines einzelnen Akkus überschreitet, auch weil die Vorteile des Schnellladens nicht so offensichtlich sind.

Darüber hinaus stehen beim Verwendungs- (Entlade-) Prozess eines lithium-ionen-akkus dessen Kapazitätsverbrauch und Entladezeit nicht in linearer Beziehung, sondern mit der Zeit des beschleunigten Rückgangs. Wenn ein Elektroauto beispielsweise eine volle Reichweite von 200 km hat, kann die Leistungsbatterie nach einer normalen Reichweite von 100 km immer noch 80% ihrer Kapazität haben. Wenn die Batteriekapazität 50% beträgt, kann das Elektroauto möglicherweise nur 50 km zurücklegen. Diese Eigenschaft der Lithium-Ionen-Batterie zeigt, dass das Laden von nur der Hälfte oder 80% der Leistung der Batterie nicht den tatsächlichen Nutzungsbedarf von Elektroautos decken kann. Zum Beispiel ist Teslas vielbeachtete Schnellladetechnologie nach Ansicht des Autors eher eine Spielerei als eine praktische, und häufiges Schnellladen wird die Lebensdauer und Leistung des Akkus definitiv verschlechtern und ernsthafte Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Da Lithiumbatterien im Wesentlichen nicht zum Schnellladen geeignet sind, kann theoretisch die Art der elektrischen Änderung den Mangel des Schnellladens ausgleichen. Zwar führt das Design der Leistungsbatterie in einen steckbaren Typ zu dem technisch schwierigen Problem der Fahrzeugstrukturfestigkeit und der elektrischen Isolierung, aber auch zum Standard der Batterieschnittstelle und zum super schwierigen Problem, aber ich persönlich glaube, dass dieses Modell noch als Technologie für Li-Ionen angesehen werden kann Probleme mit dem Schnellladen des Akkus (auch nur technisch praktischer.

Nach Meinung des Autors ist der Grund, warum das "Modell für Batteriemiete + Stromaustausch" keinen erfolgreichen Präzedenzfall auf der Welt hat, neben dem Problem der Konsumgewohnheiten (der Eigentümer glaubt, dass die Batterie genau wie das Auto sein Privateigentum ist) der Hauptgrund Hindernis liegt in dem riesigen Gewinnverteilungsproblem, das sich hinter den technischen Standards verbirgt. Im stark marktorientierten Westen ist das Problem viel schwerer zu lösen als in China. Persönlich ist der Autor der Ansicht, dass in Zukunft in den Bereichen, in denen sich reine Elektrofahrzeuge wie Busse, Taxis oder gemeinsame Fahrzeuge konzentrieren, möglicherweise viel Raum für die Entwicklung des Modells des elektrischen Wechsels gegen Elektrizität vorhanden ist.

2.3.2 Hochleistungseigenschaften von Brennstoffzellen: Verglichen mit dem Problem des schnellen Ladens von Lithiumionen-Kraftzellen ist das Problem des Einfüllens von Wasserstoff in Brennstoffzellen viel einfacher. Fast alle fc-evs können heute in drei Minuten mit Wasserstoff gefüllt werden. Drei Minuten sind zwar etwas länger als eine normale Betankungssitzung, aber nichts im Vergleich zu Teslas sechsstündiger Reinladung / halbstündiger Schnellladung. Es ist jedoch nicht angebracht, das Problem der schnellen Aufladung von Lithium mit der Hydrierung von Brennstoffzellen zu vergleichen. Da es einfach ist, das Laden von Elektrofahrzeugen mit dem Stromnetz und der Hydrierung von Brennstoffzellen zu kombinieren, ist die Infrastruktur viel schwieriger aufzubauen als Ladestationen.

Wenn es um die Leistung geht, wird der Autor die Leistungsdichte von Lithiumbatterie und Brennstoffzelle noch einmal diskutieren, da die Leistung tatsächlich das Leistungsproblem ist. Technisch gesehen können Lithium-Ionen-Batterien mit einer höheren Geschwindigkeit geladen und entladen werden, indem die Elektroden sehr dünn gemacht oder die Menge an leitendem Material in der Batterie erhöht werden.

Mit anderen Worten, es ist grundsätzlich unmöglich, dass eine einzelne Lithiumzelle sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistungsdichte aufweist. Beispielsweise weist die AHR32113-Einzelzelle von A123 eine hervorragende Vergrößerungsleistung auf, und ihre Leistungsdichte kann unter den Testbedingungen für ultrahohe Vergrößerung von 40 ° C bis zu 2,7 kW / kg betragen, ihre Energiedichte beträgt jedoch nur 70 Wh / kg. In einem anderen Beispiel hat die Energiedichte der i-phone7-Softpack-Zelle das Niveau von 250 Wh / kg erreicht, aber ihre Leistung ist relativ schlecht und sie kann nur mit einer niedrigen Leistungsrate unter 0,5 c geladen und entladen werden.

Ich möchte hier jedoch betonen, dass Brennstoffzellen leicht sowohl energiereich als auch leistungsstark sein können, was genau auf ihr einzigartiges offenes Arbeitsprinzip zurückzuführen ist. Der PEMFC-Reaktor ist der Ort der elektrochemischen Erzeugung. Sein einzigartiger heterogener elektrokatalytischer Reaktionsprozess ermöglicht eine hohe Austauschstromdichte auf der Pt / C-Katalysatoroberfläche, unabhängig von der elektrochemischen Oxidation von Wasserstoff oder der elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff.

Tatsächlich liegt die Stromdichte der PEMFC-Reaktoren der neuen Generation von Toyota und GM unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen (0,6 bis 0,7 V für eine einzelne Batterie) im Allgemeinen nahe am Niveau von 1 A / cm2, was etwa zwei Größenordnungen höher ist als der Strom Dichte der in China weit verbreiteten lfp-batterien mit einer Geschwindigkeit von 1 ° C.

Das PEMFC-System von ToyotaMirai hat eine Energiedichte von über 350 Wh / kg und eine Leistungsdichte von 2,0 kW / kg. Im Gegensatz dazu hat das Lithium-Ionen-Batteriesystem von TeslaModelS eine Energiedichte von 156 Wh / kg, während die Leistungsdichte nur 0,16 kW / kg beträgt, eine Größenordnung niedriger als die von Mirai! Der PEMFC-Stapel wird als Einzelzellenfilterpresse zusammengebaut, und seine Leistung kann durch Erhöhen der Anzahl von Einzelzellen (Nichtlinearität) erhöht werden. Die Energiedichte von PEMFC hängt von der im Wasserstoffspeichersystem gespeicherten Wasserstoffmenge ab, die auch durch Erhöhen des Volumens oder der Anzahl der Wasserstoffspeichertanks erhöht werden kann.

Mit anderen Worten, das PEMFC-System kann sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistungsdichte aufweisen, was für jede Art von Sekundärbatterie unmöglich ist. Der grundlegende Grund liegt im wesentlichen Unterschied zwischen geschlossenem System und offenem Arbeitsmodus. Aber gleichzeitig hat die hohe Energie und die hohe Leistung Zustandscharakteristik, genau ist das moderne Automobil zum Energiesystem die grundlegendste technische Anforderung.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.