סוללת ליתיום טעינה מהירה

השאל נתון זה כדי להמחיש את תהליך טעינת הסוללה, ההתנשאות היא הזמן והסד הוא המתח. בתחילת טעינת סוללת ליתיום יהיה תהליך טעינה מקדים זרם קטן, כלומר CC Pre-charge, המטרה היא לייצב את החומרים החיוביים והשליליים. לאחר מכן, לאחר שמצב הסוללה יציב, ניתן לכוונן אותו לטעינה של זרם גבוה, כלומר CC Fast Charge. לבסוף, היכנס למצב טעינת המתח הקבוע (CV). עבור סוללות ליתיום, המערכת מפעילה את מצב טעינת המתח הקבוע לאחר שגילתה שהמתח מגיע ל -4.2 וולט, זרם הטעינה מצטמצם בהדרגה והטעינה מסתיימת כשהיא פחותה מערך מסוים.

בכל התהליך, לסוללות שונות יש זרמי טעינה סטנדרטיים שונים. לדוגמה, תקן הסוללה למוצרי 3C הוא בדרך כלל 0.1C-0.5C, ובסוללות בעלות הספק גבוה, הטעינה הסטנדרטית היא בדרך כלל 1C. בחירת זרם טעינה נמוך יותר מתחשבת גם בבטיחות הסוללה. לכן, הטעינה המהירה הרגילה מתייחסת לזרם הטעינה שגבוה פי כמה עד עשרות מונים מזרם הטעינה הרגיל.

יש אנשים שאומרים כי טעינת סוללת ליתיום זה כמו לשפוך בירה. זה&# 39 הוא מהיר ומתמלא בבירה, אבל יש לו הרבה קצף. המזיגה איטית ואיטית, אבל יש הרבה בירה, שזה אמיתי מאוד. בזמן שהטעינה המהירה חוסכת זמן טעינה, זה גם יגרום נזק גדול יותר לסוללה עצמה. בשל תופעת הקיטוב בסוללה, זרם הטעינה המרבי שהיא יכולה לקבל יקטן עם עליית מחזור הטעינה והפריקה. כאשר המטען נמשך וזרם המטען גדול, ריכוז היונים באלקטרודה יגדל, והקיטוב יגדל. מתח המסוף אינו יכול להיות פרופורציונלי באופן ישיר ליחס / האנרגיה הטעונה. יחד עם זאת, בעת טעינה עם זרם גבוה, הגברת ההתנגדות הפנימית תגדיל את אפקט החימום ג'ול (Q=I2Rt), ותגרום לתגובות לוואי, כמו פירוק התגובה של האלקטרוליט, ייצור גז וסדרת בעיות. גורם הסיכון עולה לפתע, מה שישפיע על בטיחות הסוללה. השפעה, חיי הסוללות שאינם חשמליים יתקצרו בהכרח מאוד.

01 חומר קתודה

תהליך הטעינה המהירה של סוללות ליתיום הוא תהליך הגירה מהירה של Li + בחומר האלקטרודה החיובי לאלקטרודה השלילית. גודל החלקיקים של חומר האלקטרודה החיובי יכול להשפיע על זמן התגובה של התהליך האלקטרוכימי של הסוללה, על נתיב הדיפוזיה של היונים וכו '. על פי המחקר, ככל שגודל הגרגר של החומר יורד, מקדם הדיפוזיה של יוני הליתיום עולה. עם זאת, ככל שגודל החלקיקים של החומר יורד, תהיה צבירת חלקיקים רצינית בייצור עיסה, וכתוצאה מכך פיזור אחיד. יחד עם זאת, חלקיקי הננו יפחיתו את צפיפות הדחיסה של חלקי הקוטב ויצרו קשר עם האלקטרוליט במהלך תהליך הטעינה והפריקה. האזור גדל ותגובות הלוואי משפיעות על ביצועי הסוללה.

שיטה אמינה יותר היא ציפוי ושינוי חומר האלקטרודה החיובי. לדוגמא, המוליכות של LFP עצמה אינה טובה במיוחד. לאחר ציפוי המשטח בחומר פחמן או חומרים אחרים, ניתן לשפר את מוליכותו, דבר המועיל לשיפור הטעינה המהירה של הסוללה. ביצועים.

02 חומר אנודה

טעינה מהירה של סוללות ליתיום פירושה שיוני ליתיום נשלפים במהירות ו-" שחייה" לאלקטרודה השלילית. בשלב זה, חומר האלקטרודה השלילי צריך להיות בעל יכולת להכניס ליתיום במהירות. חומרי האנודה המשמשים לטעינה מהירה של סוללות ליתיום כוללים חומרי פחמן, ליתיום טיטנאט וחומרים חדשים אחרים.

עבור חומרי פחמן, מכיוון שהפוטנציאל של החדרת ליתיום דומה לפוטנציאל של משקעי ליתיום, במקרה של טעינה קונבנציונאלית, בדרך כלל מוכנסים יוני ליתיום באופן מועדף לגרפיט, אך בתנאי טעינה מהירה או בתנאי טמפרטורה נמוכה, יונים של ליתיום עשויים לזרום על משטח ליצירת ליתיום דנדריטי. ליתיום דנדריט חודר את ה- SEI וגורם לאובדן משני של Li + ולהפחתת קיבולת הסוללה. כאשר מתכת הליתיום מגיעה לכמות מסוימת, היא תצמח מהאלקטרודה השלילית למפריד, ותגרום לסיכון לקצר את הסוללה.

עבור LTO, זהו"" אפס זן; חומר אלקטרודה שלילי המכיל חמצן, שאינו מייצר SEI כאשר הסוללה פועלת, ובעל יכולת קשירה חזקה יותר עם יוני ליתיום, אשר יכולים לעמוד בדרישות טעינה מהירה ופריקה מהירה. יחד עם זאת, זה מכיוון שלא ניתן ליצור את ה- SEI, חומר האלקטרודה השלילי ייצור קשר ישירות עם האלקטרוליט, מה שמקדם את התרחשותן של תגובות לוואי. לא ניתן לפתור את בעיית ייצור הגז של סוללות ה- LTO לאורך זמן, והיא יכולה להקל רק על ידי שינוי פני השטח.

03 פתרון אלקטרודה

כפי שצוין קודם לכן, בשל חוסר העקביות של מהירות נדידת יוני ליתיום וקצב העברת האלקטרונים במהלך טעינה מהירה, לסוללה יהיה קיטוב גדול יותר. אז כדי למזער את התגובה השלילית הנגרמת מקיטוב הסוללה, שלוש הנקודות הבאות יהיו הכיוון של מחקר ופיתוח אלקטרוליטים: 1. מלח אלקטרוליטים בדרגת ניתוק גבוהה; 2. רקומבינציה ממס-צמיגות נמוכה יותר; 3. עכבת בקרת קרום ממשק תחתונה.

04 הקשר בין טכנולוגיית הייצור לטעינה מהירה

בעבר נותחו הדרישות וההשפעות של טעינה מהירה משלושה חומרים מרכזיים, כגון חומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים ונוזל אלקטרודות. להלן תכנון תהליכים בעל השפעה גדולה יחסית. הפרמטרים של תהליך ייצור הסוללה משפיעים ישירות על עמידות הנדידה של יוני ליתיום בחלקים שונים של הסוללה לפני ואחרי הפעלת הסוללה, ולכן לפרמטרים של תהליך ייצור הסוללה יש השפעה חשובה על הביצועים של סוללת הליתיום.

(1) slurry

ביחס לתכונות של המטבע, היבט אחד הוא שמירה על פיזור אחיד של החומר המוליך. מכיוון שהחומר המוליך מפוזר באופן שווה בין חלקיקי החומר הפעיל, ניתן ליצור רשת מוליכה אחידה יחסית בין החומרים הפעילים ובין החומר הפעיל לקולט הזרם, שתפקידו לאסוף זרמי מיקרו, להפחית את עמידות המגע ולהגדיל מהירות האלקטרונים. . ההיבט הנוסף הוא למנוע פיזור יתר של הגורם המוליך. בתהליך הטעינה והפריקה ישתנה מבנה הגבישים של החומרים החיוביים והשליליים, מה שעלול לגרום לקרינת החומר המוליך, להגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה ולהשפיע על הביצועים.

(2) צפיפות שטח חתיכת מוט

בתיאוריה, סוללות מסוג קצב וסוללות בעלות קיבולת גבוהה אינן יכולות להכיל את שתיהן. כאשר צפיפות פני השטח של חלקי הקוטב החיוביים והשליליים נמוכה, ניתן להגדיל את קצב הדיפוזיה של יוני ליתיום, ולהפחית את ההתנגדות של נדידת יונים ואלקטרונים. ככל שצפיפות האזור נמוכה יותר, חתיכת המוט דקה יותר והשינוי במבנה חתיכת המוט קטן יותר ונגרם כתוצאה מההכנסה והמיצוי הרציפים של יוני ליתיום במהלך טעינה ופריקה. עם זאת, אם צפיפות השטח נמוכה מדי צפיפות האנרגיה של הסוללה תפחת והעלות תעלה, ולכן נדרש שיקול מקיף של צפיפות השטח. האיור הבא הוא דוגמה לטעינה של 6C ופריקה של 1C של סוללת ליתיום קובלט תחמוצת, תוכלו לראות:

(3) עקביות של ציפוי חתיכת מוט

חבר שאל לפני כן, האם צפיפות השטח הלא עקבית של הקטבים תשפיע על הסוללה? אגב, לביצועי טעינה מהירים, זו בעיקר העקביות של חתיכת הקוטב השלילי. אם צפיפות פני השטח של האלקטרודה השלילית אינה עקבית, לאחר הגלגול, הנקבוביות הפנימית של החומר הפעיל תהיה שונה לחלוטין. ההבדל בנקבוביות יגרום להבדל בהתפלגות הזרם הפנימי, ישפיע על היווצרותם וביצועיו של SEI בשלב יצירת הסוללה, ובסופו של דבר ישפיע על ביצועי הטעינה המהירה של הסוללה.

(4) צפיפות דחיסה של חתיכת מוט

מדוע יש לדחוס את חתיכת המוט? האחת היא להגדיל את האנרגיה הספציפית של הסוללה, והשנייה היא לשפר את ביצועי הסוללה. לחומרי אלקטרודה שונים יש צפיפות דחיסה אופטימלית שונה. הגדלת צפיפות הדחיסה ככל שהנקבוביות של פיסת מוט האלקטרודה קטנה יותר, כך החיבור בין החלקיקים הדוק יותר, ועובי פיסת הקוטב קטן באותה צפיפות שטח, ובכך מקטין את נתיב הנדידה של יוני ליתיום. כאשר צפיפות הדחיסה גבוהה מדי, אפקט חדירת האלקטרוליטים אינו טוב, מה שעלול לפגוע במבנה החומר ובהפצת הגורם המוליך, ובעיות סלילה יתרחשו בהמשך. זהה לטעינה 6C של פריקה 1C של סוללת ליתיום קובלט, ההשפעה של צפיפות הדחיסה על הקיבולת הספציפית היא כדלקמן:

05 הזדקנות כימית ואחרים

עבור סוללות אנודות פחמן, הזדקנות היווצרות היא תהליך מפתח עבור סוללות ליתיום, ותהליך זה ישפיע על איכות ה- SEI. העובי הלא אחיד או המבנה הלא יציב של ה- SEI ישפיעו על יכולת הטעינה המהירה ועל חיי הסוללה.

בנוסף לאמור לעיל מספר גורמים חשובים, מערכות ייצור וטעינה ופריקה של תאים ישפיעו יותר על הביצועים של סוללות ליתיום. מכיוון שזמן השימוש ממושך, יש להפחית את קצב טעינת הסוללה בצורה מתונה, אחרת זה יגביר את הקיטוב.

סיכום

המהות של טעינה ופריקה מהירה של סוללות ליתיום היא שניתן לחלץ במהירות יוני ליתיום בין החומרים החיוביים והשליליים. מאפייני חומר הסוללה, תכנון התהליך ומערכת טעינה ופריקה ישפיעו על ביצועי הטעינה הנוכחיים הגבוהים. היציבות המבנית של חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים לא תגרום לקריסה מבנית במהלך תהליך הסרת ליתיום מהיר, ויוני הליתיום מתפזרים מהר יותר בחומר כדי לעמוד בטעינה גבוהה של זרם. בשל חוסר ההתאמה בין מהירות נדידת היונים לקצב העברת האלקטרונים, קיטוב יתרחש במהלך טעינה ופריקה. יש צורך להפחית קיטוב ככל האפשר כדי למנוע משקעים של מתכת ליתיום ולהפחית את יכולת ההשפעה על החיים.