Warum können Lithiumbatterien keine hohe Leistung und hohe Energiedichte ausgleichen?

Für reine Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterie ist das Laden immer noch ein großes Problem, so dass das "schnelle Laden" für viele Hersteller zum Trick geworden ist. Ich persönlich glaube, dass das Schnellladeproblem von Lithiumbatterien auf zwei Ebenen analysiert werden muss.

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 diffundieren Lithiumionen in das Kathodenmaterial (eindimensionales Ionenkanalolivin, zweidimensionales Kanalschichtmaterial und dreidimensionales Kanalspinellkathodenmaterial) und negatives Graphitanodenmaterial (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 Kristallgitter 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 Lebensdauer der einzelnen Zelle im Schnelllade- und Schnellfreigabemodus stark verkürzt wird und die Batterieleistung bei der späteren Verwendung 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 Lithiumtitanatbatterie weist jedoch eine sehr niedrige Energiedichte auf, und ihre Verwendung vom Leistungstyp wird durch Einbußen bei der Energiedichte erreicht, was zu hohen Kosten pro Energieeinheit ($ / Wh) der Lithiumtitanatbatterie führt und die Leistung bei niedrigen Kosten bestimmt Lithiumtitanat. Es ist unwahrscheinlich, dass die Batterie zum Mainstream der Entwicklung von Lithiumbatterien wird. 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. die Beseitigung von Thermistoren in den Zellen und die Verdickung des Stromkollektors. 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 Geschwindigkeit, möglicherweise wurde die Struktur der positiven und negativen Materialien zerstört, die negative Elektrode wurde mit Lithium ausgefällt, diese Probleme müssen einige In-situ-Detektionsmittel (In-Situ) (wie z SEM, XRD und Neutronenbeugung usw.) 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 der 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 nur die Hälfte oder 80% der Leistung der Batterie den tatsächlichen Bedarf von Elektrofahrzeugen nicht decken kann. Zum Beispiel fördert Tesla eine schnellere Ladetechnologie, die tatsächlich praktischer ist als der Autor, und häufiges schnelles Laden verschlechtert definitiv die Akkulaufzeit und -leistung und bringt ernsthafte Sicherheitsrisiken mit sich.

Da Lithiumbatterien im Wesentlichen nicht zum Schnellladen geeignet sind, kann der Leistungsschaltmodus theoretisch seine Mängel beim Schnellladen ausgleichen. Obwohl das Design der Leistungsbatterie zu einem steckbaren Typ das strukturelle Festigkeitsproblem des gesamten Fahrzeugs und die technischen Probleme der elektrischen Isolierung sowie das Superproblem des Batteriestandards und der Schnittstelle mit sich bringt, glaubt der Autor persönlich, dass dies der Fall ist Modus ist eine Lösung für das Problem des schnellen Ladens von Lithiumbatterien. Ein technischer (und nur technischer) Ansatz ist praktikabler.

Meiner Meinung nach war der "Batteriemiet- und Stromaustauschmodus" kein erfolgreicher Präzedenzfall auf der Welt, mit Ausnahme des Problems der Konsumgewohnheiten (der Eigentümer ist der Ansicht, dass die Batterie mit dem Privateigentum des Autos identisch ist) Das Haupthindernis liegt in der verborgenen Technologie. Das enorme Problem der Nutzenverteilung hinter dem Standard. 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 zentralisierten Nutzung von reinen Elektrofahrzeugen wie Bussen, Taxis oder geteilten Autos in China möglicherweise ein großer Entwicklungsspielraum besteht.

2.3.2 Hochleistungseigenschaften von Brennstoffzellen: Verglichen mit dem Schnellladeproblem von Lithium-Ionen-Batterien ist das Problem der Brennstoffzellenfüllung mit Wasserstoff viel einfacher. Fast alle FC-EVs können jetzt in drei Minuten mit Wasserstoff gefüllt werden. Obwohl drei Minuten länger sind als die reguläre Betankungszeit, ist es offensichtlich nicht erwähnenswert, drei Minuten im Vergleich zu Teslas 6-stündiger allgemeiner Ladung / halbstündiger Schnellladung zu erwähnen. Ein Vergleich des Schnellladeproblems einer Lithiumbatterie mit der Hydrierung von Brennstoffzellen ist für den Autor jedoch nicht angemessen. Da die Kombination aus Aufladen von Elektrofahrzeugen und Stromnetz einfach ist und das Problem der Hydrierung von Brennstoffzellen auftritt, ist der Aufbau der Infrastruktur viel schwieriger als der Bau einer Ladestation.

Wenn es um die Leistung geht, werde ich hier die Leistungsdichte von Lithiumbatterien und Brennstoffzellen diskutieren, da die Leistung tatsächlich ein Leistungsproblem darstellt. Technisch gesehen kann eine Lithiumbatterie einige Prozessmaßnahmen (wie das Dünnen der Elektrode oder das Erhöhen des Gehalts an leitfähigem Mittel usw.) verwenden, um eine hohe Lade- und Entladungsrate zu erzielen. Diese technischen Maßnahmen müssen jedoch die Energiedichte der Batterie opfern.

Das heißt, grundsätzlich ist es für eine Lithiumbatteriezelle unmöglich, sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistungsdichte zu haben. Beispielsweise ist die Leistung der AHR32113-Zellkernrate von A123 sehr gut. Die Leistungsdichte kann unter den Testbedingungen mit ultrahoher 40 ° C bis zu 2,7 kW / kg betragen, die Energiedichte beträgt jedoch nur 70 Wh / kg. Beispielsweise hat die Energiedichte der Soft-Package-Zelle von i-Phone7 250 Wh / kg erreicht, aber ihre Ratenleistung ist relativ schlecht und kann nur mit einer niedrigen Rate unter 0,5 ° C geladen und entladen werden.

Was ich hier jedoch hervorheben möchte, ist, dass Brennstoffzellen leicht Hochenergie- und Hochleistungseigenschaften kombinieren können, was durch das einzigartige offene Arbeitsprinzip bestimmt wird. Der PEMFC-Stapel ist ein Ort, an dem Elektrochemie stattfindet. Sein einzigartiger heterogener elektrokatalytischer Reaktionsprozess ermöglicht eine hohe Austauschstromdichte auf der Oberfläche des Pt / C-Katalysators, unabhängig davon, ob es sich um eine elektrochemische Oxidation von Wasserstoff oder eine elektrochemische Reduktion von Sauerstoff handelt.

Tatsächlich liegt die Stromdichte des aktuellen PEMFC-Stapels von Toyota und GM unter tatsächlichen Betriebsbedingungen (Einzelzelle 0,6-0,7 V) im Allgemeinen nahe am Niveau von 1A / cm2, was einem 1C-Verhältnis gegenüber der weit verbreiteten LFP-Leistungsbatterie entspricht in China. Die Stromdichte ist etwa zwei Größenordnungen höher.

Das PEMFC-System von Toyota Mirai 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, was eine Größenordnung niedriger ist als die von Mirai. Der PEMFC-Stapel wird von einer einzelnen Zelle gemäß einer Filterpresse zusammengesetzt, und seine Leistung kann durch Erhöhen der Anzahl von Zellen erhöht werden (nichtlineare Beziehung). Die Energiedichte von PEMFC hängt von der Wasserstoffspeicherkapazität des Wasserstoffspeichersystems ab und kann auch durch Erhöhen des Volumens oder der Menge des Wasserstoffspeichertanks verbessert werden.

Das heißt, das PEMFC-System kann sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistungsdichte aufweisen, und diese Funktion ist für keine Sekundärbatterie unmöglich. Der grundlegende Grund ist der wesentliche Unterschied zwischen dem geschlossenen System und dem offenen Arbeitsmodus. Gleichzeitig sind die Eigenschaften von hoher Energie und hoher Leistung genau die grundlegendsten technischen Anforderungen moderner Automobile für Antriebssysteme.

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