Warum laden sich Lithiumbatterien nicht schnell auf?

Für reine Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterie ist das Laden immer noch ein großes Problem, so dass "schnelles Laden" zum Trick vieler Hersteller geworden ist. Der Autor persönlich ist der Ansicht, dass das Problem der Schnellladung von Lithiumbatterien auf zwei Ebenen analysiert werden muss.

Ab dem Niveau der Zelle ist die Ratenleistung der Lithium-Ionen-Batterie durch die intrinsischen Übertragungseigenschaften des Kathoden- / Elektrolyt- / Negativelektrodenmaterialsystems begrenzt. Andererseits weisen der Polstückprozess und das Zellstrukturdesign auch eine höhere Ratenleistung auf.

Aufgrund des intrinsischsten Trägerleitungs- und Übertragungsbetriebs ist die Lithiumbatterie jedoch nicht zum "Schnellladen" geeignet. Die intrinsische Trägerleitung und der Transportbetrieb des Lithiumbatteriesystems hängen hauptsächlich von der Leitfähigkeit der positiven und negativen Materialien sowie dem Lithiumionendiffusionskoeffizienten und der Leitfähigkeit des organischen Elektrolyten ab. Basierend auf dem eingebetteten Reaktionsmechanismus diffundieren Lithiumionen in das positive Elektrodenmaterial (eindimensionales Ionenkanalolivin, zweidimensionales Kanalschichtmaterial und dreidimensionales Kanalspinellkathodenmaterial) und das negative Elektrodengraphitanodenmaterial (Schichtstruktur). Der Koeffizient ist im Allgemeinen mehrere Größenordnungen niedriger als die Geschwindigkeitskonstante der heterogenen Redoxreaktion in der wässrigen Sekundärbatterie.

Darüber hinaus ist die Ionenleitfähigkeit des organischen Elektrolyten zwei Größenordnungen niedriger als die des wässrigen Sekundärbatterieelektrolyten (starke Säure oder starke Base). Die Oberfläche der negativen Elektrode der Lithiumbatterie weist eine Schicht aus SEI-Film auf. Tatsächlich wird die Geschwindigkeitsleistung der Lithiumbatterie weitgehend durch die Diffusion von Lithiumionen in den SEI-Film gesteuert. Da die Polarisation der Pulverelektrode im organischen Elektrolyten viel schwerwiegender ist als die des Wassersystems, neigt die Oberfläche der negativen Elektrode unter Bedingungen hoher Geschwindigkeit oder niedriger Temperatur zur Ablagerung von Lithium, was ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellt.

Außerdem kann unter Ladebedingungen mit hoher Geschwindigkeit das Gitter des positiven Elektrodenmaterials leicht beschädigt werden, und die negative Graphitfolie kann ebenfalls beschädigt werden. Diese Faktoren beschleunigen die Dämpfung der Kapazität und beeinträchtigen dadurch die Lebensdauer der Leistungsbatterie erheblich. Daher bestimmen die wesentlichen Eigenschaften der eingebetteten Reaktion, dass Lithium-Ionen-Batterien nicht zum Hochladen geeignet sind. Die Ergebnisse der Studie haben bestätigt, dass die Zykluslebensdauer der einzelnen Zelle im Schnelllade- und Schnellfreigabemodus stark verkürzt wird und die Batterieleistung nach Gebrauch erheblich beeinträchtigt wird.

Natürlich können einige Leser sagen, dass Lithiumtitanat (LTO) -Batterien nicht mit hoher Geschwindigkeit geladen und entladen werden können.

Die Geschwindigkeitsleistung von Lithiumtitanat kann durch seine Kristallstruktur und den Ionendiffusionskoeffizienten erklärt werden. Die Energiedichte der lithiumtitanat-batterie ist jedoch sehr niedrig, was auf der Verwendung der erzielten Energie-Opfer-Energiedichte beruht, was dazu führte, dass die Titanat-Lithiumbatterie-Energieeinheit ($ / Wh) kostenintensive, kostengünstige Lithiumtitanate nicht werden kann der Mainstream der Lithiumbatterieentwicklung. Tatsächlich hat der Umsatzrückgang bei Toshiba SCiB-Batterien in Japan das Problem bereits erklärt.

Auf Zellebene ist es möglich, die Ratenleistung aus Sicht des Polstückprozesses und des Zellstrukturdesigns zu verbessern. Beispielsweise sind Maßnahmen wie das Verdünnen der Elektrode oder das Erhöhen des Anteils des leitenden Mittels übliche technische Mittel. Darüber hinaus haben sogar Hersteller extreme Methoden angewendet, z. B. den Thermistor in der Zelle zu entfernen und den Stromkollektor zu verdicken. Tatsächlich haben viele inländische Unternehmen für Strombatterien Daten mit hoher Vergrößerung ihrer lfp-batterien bei 30 ° C oder sogar 50 ° C als technisches Highlight erstellt.

Ich möchte hier darauf hinweisen, dass es als Testmethode verständlich ist, aber welche Änderungen in der Zelle aufgetreten sind, ist der Schlüssel. Langfristiges Laden und Entladen mit hoher Rate, möglicherweise wurde die Struktur der positiven und negativen Materialien zerstört, und die negative Elektrode wurde bereits mit Lithium ausgefällt. Diese Probleme erfordern einige In-situ-Nachweismethoden (In-Situ) (wie SEM, XRD und Neutronenbeugung). klar. Leider wurde über diese In-situ-Erkennungsmethoden in inländischen Batterieunternehmen selten berichtet.

Der Autor erinnert den Leser hier auch daran, auf den Unterschied zwischen dem Lade- und Entladevorgang einer Lithiumbatterie zu achten. Im Gegensatz zum Ladevorgang wird der Lithiumakku schneller entladen (externe Arbeit) und der Schaden am Akku ist nicht so schwerwiegend wie beim Schnellladen. Die Wasser-Sekundärbatterie ist ähnlich. Für den tatsächlichen Einsatz von Elektrofahrzeugen ist die Forderung nach Hochgeschwindigkeitsladung (Schnellladung) jedoch zweifellos dringender als Hochstromentladung.

Wenn es auf das Niveau des Akkus steigt, wird die Situation komplizierter. Während des Ladevorgangs sind die Ladespannung und der Ladestrom verschiedener Einzelzellen inkonsistent, was zwangsläufig dazu führt, dass die Ladezeit der Leistungsbatterie die Einzelbatterie überschreitet. Dies bedeutet, dass mit herkömmlicher Ladetechnologie ein einzelner Akku in 30 Minuten auf die Hälfte der Kapazität aufgeladen werden kann, der Akku diese Zeit jedoch definitiv überschreitet, was bedeutet, dass der Vorteil der Schnellladetechnologie nicht sehr offensichtlich ist.

Während der Verwendung (Entladung) eines lithium-ionen-akkus sind außerdem der Verbrauch der Kapazität und die Entladezeit nicht linear, sondern beschleunigen sich mit der Zeit. Wenn ein Elektroauto beispielsweise eine volle Reichweite von 200 Kilometern hat, kann die Leistungsbatterie bei einer normalen Reichweite von 100 Kilometern immer noch eine Kapazität von 80% haben. Wenn die Batteriekapazität 50% beträgt, kann das Elektroauto möglicherweise nur 50 Kilometer fahren.

Diese Eigenschaft von Lithium-Ionen-Batterien zeigt, dass das einfache Laden der Hälfte oder 80% der Leistungsbatterie nicht in der Lage ist, den tatsächlichen Bedarf von Elektrofahrzeugen zu decken. Zum Beispiel fördert Tesla eine schnellere Ladetechnologie, die tatsächlich praktischer zu sein scheint als der Autor, und ein schnelles Laden wird die Akkulaufzeit und -leistung ernsthaft verschlechtern und Sicherheitsrisiken mit sich bringen.

Da Lithiumbatterien im Wesentlichen nicht zum Schnellladen geeignet sind, kann der Leistungsschaltmodus theoretisch seine Mängel beim Schnellladen ausgleichen. Obwohl das Design der Leistungsbatterie in einen steckbaren Typ das strukturelle Festigkeitsproblem des gesamten Fahrzeugs und das Problem der elektrischen Isolierung mit sich bringt und es auch große Probleme bei Batteriestandards und Ausreden gibt, glaube ich persönlich, dass dieser Modus eine Lösung ist auf das Problem der schnellen Aufladung der Lithiumbatterie. Ein technisch (nur technisch) Ansatz ist praktikabler.

Meiner Meinung nach war der Grund, warum „Batteriemiete + Energieaustauschmodus“ weltweit nicht erfolgreich war, mit Ausnahme des Problems der Konsumgewohnheiten (der Eigentümer ist der Ansicht, dass die Batterie mit dem Privateigentum des Autos identisch ist), der Das Haupthindernis liegt im enormen Standard der Zinsverteilung hinter der Technologie. In stark vermarkteten westlichen Ländern ist es viel schwieriger, dieses Problem zu lösen als in China. Der Autor persönlich ist der Ansicht, dass in Zukunft im Bereich der zentralen Nutzung von zwei reinen Elektrofahrzeugen wie Bussen und Taxis in China möglicherweise ein großer Entwicklungsspielraum besteht.