Welche Faktoren begrenzen die Lade- und Entladerate von Lithium-Ionen-Batterien?

Die Lade- / Entladerate einer Lithium-Ionen-Batterie bestimmt, wie schnell wir eine bestimmte Energiemenge in der Batterie speichern können oder wie schnell die Energie in der Batterie freigesetzt wird. Natürlich ist dieser Speicher- und Freigabeprozess steuerbar und sicher, ohne die Akkulaufzeit und andere Leistungskennzahlen wesentlich zu beeinträchtigen.

Vergrößerungsindikatoren sind besonders wichtig, wenn Batterien als Elektrowerkzeuge verwendet werden, insbesondere für Energiefahrzeuge. Stellen Sie sich vor, wenn Sie ein Elektroauto fahren, um Dinge zu erledigen, auf halbem Weg feststellen, dass kein Strom vorhanden ist, eine Ladestation zum Laden finden, eine Stunde lang nicht voll ist, wird geschätzt, dass sich alles, was zu tun ist, verzögert. Oder Ihr Elektroauto steigt einen steilen Hang hinauf. Egal wie Sie auf den Gashebel (elektrische Tür) treten, das Auto ist langsam wie eine Schildkröte, sodass Sie nicht darauf warten können.

Natürlich sind diese Szenen Dinge, die wir nicht sehen wollen, aber sie sind der aktuelle Status von Lithium-Ionen-Batterien. Das Aufladen dauert lange und die Entladung sollte nicht zu stark sein. Andernfalls altert der Akku bald und kann sogar Sicherheitsprobleme haben. In vielen Anwendungen muss der Akku jedoch alle eine hohe Lade- und Entladeleistung aufweisen, sodass wir wieder im "Akku" stecken bleiben. Um eine bessere Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen, muss herausgefunden werden, welche Faktoren die Ratenleistung der Batterie einschränken.

Die Leistung der Lade- und Entladerate von Lithium-Ionen-Batterien hängt direkt mit der Migrationsfähigkeit von Lithium-Ionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode, dem Elektrolyten und der Grenzfläche zwischen ihnen zusammen. Alle Faktoren, die die Migrationsgeschwindigkeit von Lithiumionen beeinflussen (diese Einflussfaktoren können auch Batterien entsprechen). Der Innenwiderstand beeinflusst die Lade- und Entladerate des lithium-ionen-akkus. Darüber hinaus ist die interne Wärmeableitungsrate der Batterie ein wichtiger Faktor, der die Ratenleistung beeinflusst. Wenn die Wärmeableitungsrate langsam ist, kann die beim Laden und Entladen mit großer Geschwindigkeit akkumulierte Wärme nicht übertragen werden, was die Sicherheit und Lebensdauer des lithium-ionen-akkus ernsthaft beeinträchtigt. Daher beruht die Erforschung und Verbesserung der Lade- / Entladeratenleistung von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich auf den Aspekten der Verbesserung der Migrationsgeschwindigkeit von Lithiumionen und der Wärmeableitungsrate innerhalb der Batterie.

1. Verbessern Sie die Lithiumionendiffusionskapazität der positiven und negativen Elektroden

Die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen deinterkaliert und in das positive / negative aktive Material eingebettet werden, dh die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen aus dem positiven / negativen aktiven Material oder von der positiven / negativen Oberfläche zum Inneren des aktiven Materials laufen Material, um eine Position zum „Absetzen“ zu finden Wie schnell ist die Geschwindigkeit, die ein wichtiger Faktor für die Lade- und Entladerate ist.

Zum Beispiel gibt es jedes Jahr viele Marathons auf der Welt. Obwohl jeder zur gleichen Zeit startet, ist die Straßenbreite begrenzt, aber es sind viele Personen beteiligt (manchmal bis zu Zehntausenden), was zu gegenseitigem Gedränge und dem Körper der Teilnehmer führt. Die Qualität ist ungleichmäßig und das Team wird irgendwann zu einem extra langen Kampf. Jemand erreichte schnell das Ende, einige Leute kamen für ein paar Stunden zu spät, einige liefen in Ohnmacht und sie hörten auf, auf halbem Weg zu essen.

Die Diffusion und Bewegung von Lithiumionen in den positiven / negativen Polen ist im Grunde die gleiche wie beim Marathon. Sie laufen langsamer und schneller, und die Länge der von ihnen gewählten Straßen variiert, was das Ende des Spiels ernsthaft einschränkt (jeder wird es laufen lassen). Wir wollen also keinen Marathon laufen, aber es ist besser, wenn jeder 100 Meter läuft. Die Entfernung ist kurz genug. Jeder kann schnell das Ende erreichen. Außerdem sollte die Landebahn breit genug sein, sich nicht gegenseitig überfüllen und die Straßen sollten nicht verdreht und verdreht sein. Die gerade Linie ist das Beste, um die Schwierigkeit des Spiels zu verringern. Auf diese Weise klingelte der Schiedsrichter laut und die Tausenden von Pferden und Pferden stürmten bis zum Ende. Das Spiel endete schnell und die Ratenleistung war ausgezeichnet.

Beim positiven Elektrodenmaterial soll das Polstück dünn genug sein, dh die Dicke des aktiven Materials ist gering, was einer Verkürzung der Laufstrecke entspricht. Daher ist es wünschenswert, die Verdichtungsdichte der positiven Elektrode zu erhöhen Material so viel wie möglich. Innerhalb des aktiven Materials sollte genügend Loch vorhanden sein, um den Durchgang für die Lithiumionen zu verlassen. Gleichzeitig sollte die Verteilung dieser "Landebahn" gleichmäßig sein. Es sollte einige Orte geben, andere nicht. Dies dient zur Optimierung der Struktur des positiven Elektrodenmaterials. Ändern Sie den Abstand und die Struktur zwischen den Partikeln, um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Die obigen zwei Punkte sind tatsächlich widersprüchlich und erhöhen die Verdichtungsdichte. Obwohl die Dicke dünner ist, wird der Partikelspalt kleiner und die Landebahn erscheint überfüllt. Umgekehrt ist das Aufrechterhalten eines bestimmten Partikelspaltes nicht förderlich, um das Material dünn zu machen. Sie müssen also einen Gleichgewichtspunkt finden, um die beste Migrationsrate für Lithiumionen zu erzielen.

Darüber hinaus haben die positiven Elektrodenmaterialien verschiedener Materialien einen signifikanten Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten von Lithiumionen. Daher ist die Auswahl eines positiven Elektrodenmaterials mit einem relativ hohen Lithiumionendiffusionskoeffizienten auch eine wichtige Richtung zur Verbesserung der Geschwindigkeitsleistung.

Die Behandlungsidee des Anodenmaterials ähnelt der des Kathodenmaterials und geht hauptsächlich von der Struktur, Größe und Dicke des Materials aus, verringert den Konzentrationsunterschied von Lithiumionen im Anodenmaterial und verbessert die Diffusionsfähigkeit von Lithium Ionen im Anodenmaterial. Am Beispiel von Anodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis können in den letzten Jahren Untersuchungen an Nanokohlenstoffmaterialien (Nanoröhren, Nanodrähte, Nanokugeln usw.) die spezifische Oberfläche, die innere Struktur und den Diffusionskanal der Anodenmaterialien erheblich verbessern, indem sie die ersetzen traditionelle Schichtstruktur der Anode, wodurch die Multiplikatorleistung der Anodenmaterialien erheblich verbessert wird.

2. Verbessern Sie die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten

Lithiumionen spielen in den positiven / negativen Materialien und das Spiel im Elektrolyten schwimmt.

Bei Schwimmwettkämpfen ist die Reduzierung des Wasserwiderstands (Elektrolyt) der Schlüssel zur Geschwindigkeitsverbesserung. In den letzten Jahren haben Schwimmer im Allgemeinen Hai-Anzüge getragen, die den Widerstand der Wasserbildung auf der Oberfläche des menschlichen Körpers erheblich verringern können, wodurch die Leistung der Sportler verbessert wird und ein sehr kontroverses Thema wird.

Lithiumionen müssen zwischen der positiven und der negativen Elektrode hin und her pendeln. Genau wie beim Schwimmen im "Pool" aus Elektrolyt und Batteriegehäuse entspricht die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten dem Widerstand von Wasser. Die Schwimmgeschwindigkeit für Lithiumionen ist sehr stark beeinflusst. Gegenwärtig hat der in Lithiumionenbatterien verwendete organische Elektrolyt, ob es sich um einen flüssigen Elektrolyten oder einen festen Elektrolyten handelt, eine geringe Ionenleitfähigkeit. Der Widerstand des Elektrolyten wird ein wichtiger Teil des gesamten Batteriewiderstands, und der Einfluss auf die Hochleistungsleistung der Lithiumionenbatterie kann nicht ignoriert werden.

Neben der Erhöhung der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten ist es auch wichtig, sich auf die chemische und thermische Stabilität des Elektrolyten zu konzentrieren. Beim Laden und Entladen mit großer Geschwindigkeit variiert das elektrochemische Fenster der Batterie stark. Wenn die chemische Stabilität des Elektrolyten nicht gut ist, ist es leicht, auf der Oberfläche des positiven Elektrodenmaterials zu oxidieren und sich zu zersetzen, was die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten beeinflusst. Die thermische Stabilität des Elektrolyten hat einen großen Einfluss auf die Sicherheit und Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie, da der Elektrolyt bei Zersetzung durch Wärme viel Gas erzeugt, was eine versteckte Gefahr für die Sicherheit der Batterie darstellt einerseits und etwas Gas auf der Oberfläche der negativen Elektrode andererseits. Die SEI-Membran erzeugt einen zerstörerischen Effekt, der ihre Zyklusleistung beeinflusst.

Daher ist die Auswahl eines Elektrolyten mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit, guter chemischer Stabilität und thermischer Stabilität sowie die Anpassung an das Elektrodenmaterial eine wichtige Richtung, um die Geschwindigkeitsleistung der Lithiumionenbatterie zu verbessern.

3. Reduzieren Sie den Innenwiderstand der Batterie

Dies beinhaltet die Grenzfläche zwischen verschiedenen Substanzen und Substanzen, die Widerstandswerte, die sie bilden, aber alle wirken sich auf die Ionen- / Elektronenleitung aus.

Im Allgemeinen wird dem Inneren des aktiven Materials der positiven Elektrode ein leitfähiges Mittel zugesetzt, wodurch der Kontaktwiderstand zwischen den aktiven Materialien, dem aktiven Material und dem Substrat / Stromkollektor der positiven Elektrode verringert wird, wodurch die elektrische Leitfähigkeit (Ionen- und Elektronenleitfähigkeit) von verbessert wird das positive Elektrodenmaterial und Verbesserung der Geschwindigkeitsleistung. Leitfähige Mittel mit unterschiedlichen Formen und Materialien beeinflussen den Innenwiderstand der Batterie, was sich auf ihre Geschwindigkeitsleistung auswirkt.

Der Stromkollektor (Polarohr) der positiven und negativen Elektroden ist ein Träger für die Übertragung elektrischer Energie zwischen der Lithiumionenbatterie und der Außenseite, und der Widerstandswert des Stromkollektors hat auch einen großen Einfluss auf die Ratenleistung der Batterie. Daher können durch Ändern des Materials, der Größe, des Extraktionsverfahrens, des Verbindungsprozesses usw. des Stromkollektors die Ratenleistung und die Lebensdauer der Lithiumionenbatterie verbessert werden.

Der Infiltrationsgrad des Elektrolyten mit den positiven und negativen Materialien beeinflusst den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode, wodurch die Geschwindigkeitsleistung der Batterie beeinflusst wird. Die Gesamtmenge an Elektrolyt, Viskosität, Verunreinigungsgehalt, Poren von positiven und negativen Materialien usw. ändert den Kontaktwiderstand zwischen Elektrolyt und Elektrode, was eine wichtige Forschungsrichtung zur Verbesserung der Geschwindigkeitsleistung darstellt.

Während des ersten Zyklus der Lithium-Ionen-Batterie wird, wenn Lithiumionen in die negative Elektrode eingebettet sind, ein Festelektrolytfilm (SEI) auf der negativen Elektrode gebildet. Obwohl der SEI-Film eine gute Ionenleitfähigkeit aufweist, diffundiert er immer noch Lithiumionen. Es gibt ein gewisses Hindernis, insbesondere beim Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen fällt der SEI-Film kontinuierlich ab, löst sich ab und lagert sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab, was zu einer Erhöhung des Innenwiderstands der negativen Elektrode führt, was zu einem Faktor wird, der die Leistung der Zyklusrate beeinflusst . Daher kann das Steuern der Variation des SEI-Films auch die Ratenleistung während des Langzeitzyklus der Lithiumionenbatterie verbessern.

Darüber hinaus haben die Flüssigkeitsabsorptionsrate und die Porosität des Separators auch einen großen Einfluss auf den Durchgang von Lithiumionen und beeinflussen in gewissem Maße auch die Geschwindigkeitsleistung (relativ gering) der Lithiumionenbatterie.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.