Wie kann die Schnellladeleistung von Lithiumbatterien verbessert werden?

Das Wesen des schnellen Ladens und Entladens von Lithiumbatterien besteht darin, dass Lithiumionen schnell zwischen positiven und negativen Materialien deinterkaliert werden können. Die Eigenschaften des Batteriematerials, das Prozessdesign sowie Lade- und Entladesysteme wirken sich auf die Hochstromladeleistung aus.

Verwenden Sie dieses Diagramm, um den Ladevorgang des Akkus zu veranschaulichen. Die Abszisse ist die Ordinate und die Spannung wird verwendet. Zu Beginn des Ladens der Lithiumbatterie wird ein kleiner Stromvorladevorgang durchgeführt, nämlich CCP-Vorladung, um die positiven und negativen Materialien zu stabilisieren. Nachdem der Batteriezustand stabil ist, kann er auf Hochstromladung, dh CCFastCharge, eingestellt werden.

Rufen Sie abschließend den Konstantspannungs-Lademodus (CV) auf. Bei der Lithiumbatterie startet das System den Konstantspannungs-Lademodus, nachdem die Spannung 4,2 V erreicht hat, der Ladestrom wird allmählich verringert und schließlich wird der Ladevorgang beendet, nachdem der Wert unter einem bestimmten Wert liegt.

Während des gesamten Prozesses stehen für verschiedene Batterien unterschiedliche Standardladeströme zur Verfügung. Beispielsweise wird für 3C-Produktbatteriestandards im Allgemeinen 0,1C bis 0,5C ausgewählt, während für Hochleistungsbatterien das Standardladen im Allgemeinen 1C beträgt. Die Wahl eines niedrigeren Ladestroms berücksichtigt auch die Sicherheit des Akkus. Daher bedeutet die Schnellladung, die normalerweise gesagt wird, dass sie mehrere bis mehrere zehn Mal höher ist als der Standardladestrom.

Einige Leute sagen, dass das Laden von Lithiumbatterien wie das Eingießen von Bier ist. Es ist schnell und voller Bier, aber es hat viel Schaum, langsam, aber viel Bier, sehr echt. Schnelles Laden spart Ladezeit und verursacht auch größere Schäden am Akku.

Aufgrund des Polarisationsphänomens in der Batterie nimmt der maximal akzeptierbare Ladestrom mit zunehmendem Lade- und Entladezyklus ab. Wenn das Laden fortgesetzt wird und der Ladestrom groß ist, steigt die Ionenkonzentration an der Elektrode an und die Polarisation wird verstärkt. Die Klemmenspannung kann nicht direkt proportional zur geladenen Menge / Energie sein. Gleichzeitig führt eine Aufladung mit großem Strom und eine Erhöhung des Innenwiderstands zu einer Verschlechterung des Joule-Erwärmungseffekts (Q = I2Rt), was zu Nebenreaktionen wie der Zersetzung der Elektrolytreaktion, der Gasproduktion und anderen Problemen führt. Der Risikofaktor steigt plötzlich an. was zu Batteriesicherheit führt. Die Auswirkung der Batterielebensdauer ohne Strom wird zwangsläufig erheblich reduziert.

01 Kathodenmaterial

Der Prozess des schnellen Ladens der Lithiumbatterie ist der Prozess der schnellen Migration von Li + in die negative Elektrode im positiven Elektrodenmaterial. Die Partikelgröße des positiven Elektrodenmaterials kann die Reaktionszeit und den Ionendiffusionsweg im elektrochemischen Prozess der Batterie beeinflussen. Es wird untersucht, dass mit abnehmender Korngröße des Materials der Diffusionskoeffizient von Lithiumionen zunimmt. Wenn jedoch die Partikelgröße des Materials abnimmt, tritt während der Herstellung eine starke Partikelagglomeration auf, die zu einer ungleichmäßigen Dispersion führt, während die Nanopartikel die Verdichtungsdichte des Polstücks und den Kontakt mit dem Elektrolyten während des Ladens und Entladens verringern. Die Fläche wird durch Nebenreaktionen vergrößert, die die Leistung der Batterie beeinträchtigen.

Das zuverlässigere Verfahren besteht darin, die Beschichtung des positiven Elektrodenmaterials zu modifizieren. Zum Beispiel ist die Leitfähigkeit von LFP selbst nicht so gut. Nach dem Beschichten des Kohlenstoffmaterials oder anderer Materialien auf der Oberfläche kann die Leitfähigkeit verbessert werden, was vorteilhaft ist, um das schnelle Laden der Batterieleistung zu verbessern.

02 Anodenmaterial.

Schnelles Laden von Lithiumbatterien bedeutet, dass Lithiumionen schnell entweichen und zur negativen Elektrode "wischen". Zu diesem Zeitpunkt muss das negative Elektrodenmaterial eine schnelle Lithiumeinfügungsfähigkeit aufweisen. Anodenmaterialien zum schnellen Laden von Lithiumbatterien umfassen Kohlenstoffmaterialien, lithiumtitanat und andere neuartige Materialien.

Bei Kohlenstoffmaterialien werden Lithiumionen bevorzugt in Graphit eingebettet, da das Potential der Lithiumeinlagerung ähnlich dem von Lithium ist. Bei herkömmlicher Aufladung können Lithiumionen jedoch auf der Oberfläche ausfallen und Dendriten bilden . . Dendritisches Lithium durchdringt SEI, verursacht einen sekundären Verlust von Li + und verringert die Batteriekapazität. Wenn das Lithiummetall eine bestimmte Menge erreicht, wächst es von der negativen Elektrode zum Separator, was zu einem Kurzschluss der Batterie führen kann.

Für LTO ist es ein sauerstofffreies Anodenmaterial ohne Dehnung, das bei arbeitender Batterie keinen SEI erzeugt, und seine Fähigkeit, sich mit Lithiumionen zu verbinden, ist stärker, was die Anforderungen einer schnellen Ladung und einer schnellen Freisetzung erfüllen kann. Gleichzeitig, gerade weil der SEI nicht gebildet werden kann, berührt das negative Elektrodenmaterial direkt den Elektrolyten, was das Auftreten von Nebenreaktionen fördert. Das Problem der Gasproduktion der LTO-Batterie kann nicht gelöst werden und kann nur durch das Oberflächenmodifizierungsverfahren gelindert werden.

03 Elektrodenflüssigkeit

Wie bereits erwähnt, weist die Batterie während des Schnellladevorgangs aufgrund der inkonsistenten Lithiumionenmigrationsrate und Elektronentransferrate eine große Polarisation auf. Um die durch die Batteriepolarisation verursachte negative Reaktion zu minimieren, sind die folgenden drei Punkte die Entwicklungsrichtung des Elektrolyten: 1. Elektrolytsalz mit hoher Dissoziation; 2. Die Viskosität der Lösungsmittelverbindung ist niedriger. 3. Grenzflächensteuerungsmembranimpedanz niedriger.

04 Zusammenhang zwischen Produktionsprozess und Schnellladung

In der Vergangenheit wurden drei Schlüsselmaterialien wie positive und negative Materialien sowie Elektrodenflüssigkeiten analysiert, um die Anforderungen und Auswirkungen der Schnellladung zu analysieren. Das Folgende ist ein relativ großes Prozessdesign. Die Parameter des Batterieherstellungsprozesses wirken sich direkt auf den Migrationswiderstand von Lithiumionen in verschiedenen Teilen der Batterie vor und nach der Aktivierung der Batterie aus. Daher haben die Parameter des Batterievorbereitungsprozesses einen wichtigen Einfluss auf die Leistung der Lithiumionenbatterie.

(1) Aufschlämmung

Für die Art der Aufschlämmung ist es einerseits notwendig, eine gleichmäßige Dispersion des leitenden Mittels aufrechtzuerhalten. Da das leitende Mittel gleichmäßig zwischen den aktiven Materialteilchen verteilt ist, kann ein relativ gleichmäßiges leitendes Netzwerk zwischen den aktiven Materialien und zwischen dem aktiven Material und dem Stromkollektor gebildet werden, das die Funktion hat, Mikroströme zu sammeln, den Kontaktwiderstand verringert und kann Verbesserung der Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen. . Ein weiterer Aspekt besteht darin, eine übermäßige Dispersion des leitenden Mittels zu verhindern. Während des Lade- und Entladevorgangs ändert sich die Kristallstruktur der positiven und negativen Materialien, was zum Ablösen und Ablösen des leitenden Mittels führen kann, was den Innenwiderstand der Batterie erhöht und die Leistung beeinträchtigt.

(2) Poldichte

Theoretisch können die Rate-Typ-Batterie und die Hochleistungsbatterie nicht kombiniert werden. Wenn die Oberflächendichte der positiven und negativen Polstücke niedrig ist, kann die Diffusionsgeschwindigkeit von Lithiumionen erhöht und der Ionen- und Elektronenmigrationswiderstand verringert werden. Je geringer die Flächendichte ist, desto dünner ist das Polstück und desto geringer ist die Änderung der Struktur des Polstücks aufgrund des kontinuierlichen Ein- und Ausstoßes von Lithiumionen während des Ladens und Entladens.

Wenn jedoch die Flächendichte zu niedrig ist, wird die Energiedichte der Batterie verringert und die Kosten steigen. Daher ist es notwendig, die Oberflächendichte umfassend zu berücksichtigen. Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für eine 6C-Lade-1C-Entladung einer Lithium-Kobaltoxid-Batterie. Du kannst sehen:

(3) Polstückbeschichtungskonsistenz

Ein Freund fragte zuvor, ob die inkonsistente Dichte der Pole die Batterie beeinflusst. Übrigens ist es für die schnelle Ladeleistung hauptsächlich die Konsistenz des negativen Polstücks. Wenn die Dichte der negativen Oberfläche inkonsistent ist, gibt es einen großen Unterschied in der inneren Porosität des aktiven Materials nach dem Walzen. Der Unterschied in der Porosität verursacht einen Unterschied in der internen Stromverteilung, der die Bildung und Leistung von SEI während der Batteriebildungsphase beeinflusst und letztendlich die Schnellladeleistung der Batterie beeinflusst.

(4) Polstückverdichtungsdichte

Warum ist das Polstück verdichtet? Eine besteht darin, die batteriespezifische Energie zu erhöhen, und die andere darin, die Batterieleistung zu verbessern. Die optimale Verdichtungsdichte ist für verschiedene Elektrodenmaterialien unterschiedlich. Um die Verdichtungsdichte zu erhöhen, ist die Verbindung zwischen den Partikeln umso enger, je kleiner die Porosität des Elektrodenpolstücks ist, und desto kleiner ist die Dicke des Polstücks bei gleicher Flächendichte, wodurch der Migrationsweg von Lithiumionen verringert wird.

Wenn die Verdichtungsdichte zu groß ist, ist der Elektrolytinfiltrationseffekt nicht gut, und die Materialstruktur und die Verteilung des leitenden Mittels können zerstört werden, und das Wicklungsproblem kann später auftreten. Das gleiche gilt für die Lithium-Kobaltoxid-Batterie 6C, die 1C-Entladung lädt. Die Auswirkung der Verdichtungsdichte auf die entladungsspezifische Kapazität ist wie folgt:

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05 ins Altern und andere

Bei kohlenstoffnegativen Batterien ist die chemische Alterung ein Schlüsselprozess für Lithiumbatterien, und dieser Prozess beeinflusst die Qualität von SEI. Die SEI-Dicke ist nicht gleichmäßig oder strukturell instabil, was sich auf die Schnellladekapazität und die Lebensdauer des Akkus auswirkt.

Zusätzlich zu den oben genannten wichtigen Faktoren haben Systeme zur Herstellung, zum Laden und Entladen von Batterien einen größeren Einfluss auf die Leistung von Lithiumbatterien. Wenn die Nutzungsdauer verlängert wird, sollte die Batterieladegeschwindigkeit moderat verringert werden, da sonst die Polarisation verstärkt wird.

Fazit

Das Wesen des schnellen Ladens und Entladens von Lithiumbatterien besteht darin, dass Lithiumionen schnell zwischen positiven und negativen Materialien deinterkaliert werden können. Die Eigenschaften des Batteriematerials, das Prozessdesign sowie Lade- und Entladesysteme wirken sich auf die Hochstromladeleistung aus. Die strukturelle Stabilität der positiven und negativen Materialien erleichtert das Zusammenfallen der Struktur während der schnellen Delithiierung, und die Lithiumionen diffundieren schneller in das Material, um einer Hochstromladung standzuhalten. Da die Ionenmigrationsgeschwindigkeit und die Elektronentransportrate nicht übereinstimmen, tritt beim Laden und Entladen eine Polarisation auf, und die Polarisation sollte minimiert werden, um zu verhindern, dass Lithiummetall ausgefällt wird und die Kapazität beeinträchtigt wird.

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