¿Cómo resolver el equilibrio electroquímico de las baterías de iones de litio?

Las baterías generalmente están compuestas por cientos o miles de monómeros de celdas, por lo que la capacidad de la batería también se ve afectada por celdas individuales. Los estudios han demostrado que incluso si una sola celda tiene un ciclo de vida de más de 1000 veces, forma una batería. Después de la batería, la vida útil de la batería puede ser inferior a 200 veces. Esto muestra que el equilibrio del paquete de baterías es muy importante.

Durante mucho tiempo, la baja consistencia de los monómeros de las células de iones de litio es un problema difícil para el diseño de baterías de iones de litio. Aquí, la consistencia se refiere no solo a los parámetros tradicionales como la capacidad y el voltaje. También incluye factores como la tasa de disminución de la capacidad, la tasa de disminución de la resistencia interna y la distribución de temperatura de la batería.

Idealmente, el mismo lote de baterías de iones de litio debería tener las mismas propiedades electroquímicas, pero de hecho, debido a errores en el proceso de fabricación, habrá inconsistencias entre las baterías de monómero de iones de litio. Las baterías a menudo se componen de cientos, incluso miles de celdas individuales conectadas en serie. Por lo tanto, la capacidad del paquete de baterías se ve muy afectada por la inconsistencia de la celda individual (las inconsistencias que tienen el mayor impacto en el rendimiento del paquete de baterías incluyen la inconsistencia de la eficiencia de Coulomb, la inconsistencia de la tasa de autodescarga, la inconsistencia de la resistencia interna aumenta la velocidad, etc.). Los estudios han demostrado que incluso si el ciclo de vida de una sola celda llega a más de 1000 veces, la vida útil de la batería después de la formación de un paquete de baterías puede ser inferior a 200 veces.

Por lo tanto, para un paquete de baterías que consta de una gran cantidad de celdas de monómero, es necesario un equipo de equilibrio. El método de equilibrio común en la superficie de listado es principalmente para lograr el equilibrio de voltaje entre las celdas de monómero con la ayuda de equipos electrónicos, por lo que la tecnología también es muy similar. Alexander U. Schmid de la Universidad de Stuttgart en Alemania utilizó recientemente celdas de hidruro metálico de Ni (NiMH) y celdas de Ni-Zn para lograr el equilibrio electroquímico de las baterías, proporcionando una nueva idea para el equilibrio de las baterías.

Debido a la limitación del principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio, su capacidad para resistir la sobrecarga es muy débil. En caso de sobrecarga, puede producirse la descomposición del electrolito y el análisis de litio. En el caso de sobrecarga de la batería de NiMH, el H2O del electrolito descompondrá el O2 y el H2 producidos por los polos positivo y negativo, y el O2 y el H2 pueden recombinarse bajo la acción de un catalizador para formar agua y formar un ciclo completo. Con el bajo aumento de C / 3-C / 10, la tasa de generación de gas es casi la misma que su tasa de recombinación, por lo que la batería de NiMH tiene una muy buena resistencia a la sobrecarga. Basado en los principios anteriores, AlexanderU. Schmid usó celdas de NiMH y celdas de Ni-Zn similares para igualar las baterías de iones de litio. Cuando se utiliza este método de equilibrio electroquímico, se pueden omitir las unidades tradicionales de monitoreo de voltaje y equilibrio electrónico, lo que reduce efectivamente la complejidad de la administración de la batería y mejora la confiabilidad del paquete de baterías.

AlexanderU.Schmid seleccionó los materiales LiFePO4 y Li4TI5O12 como objetos experimentales porque ambos materiales tienen cierta tolerancia a la sobrecarga y el voltaje aumenta rápidamente después del delitio completo. En este punto, las baterías de NiMH y Ni-Zn asumen el papel de la corriente Byass, y el exceso de corriente fluirá hacia las baterías de NiMH y Ni-Zn, evitando así la sobrecarga de las baterías de iones de litio.

El principio de funcionamiento es el que se muestra en la siguiente figura. La celda de NiMH equilibrada o la celda de Ni-Zn se conecta a una celda de iones de litio en paralelo. Cuando un grupo de celdas en serie de baja capacidad en el paquete de baterías está completamente cargado, el voltaje alcanza el umbral. En este momento, la batería de NiMH en paralelo asumió el papel de una derivación. Todas las corrientes fluían básicamente a través de la batería de NiMH y ya no fluían a través de la batería de iones de litio, evitando así la sobrecarga de la batería de iones de litio. En este proceso, los cambios en el voltaje y la corriente de la batería de iones de litio y el NiMH se muestran en la figura B a continuación. En el caso de una combinación perfecta, la corriente de la batería de iones de litio se muestra como una curva roja.

El trabajo de AlexanderU.Schmid proporciona una nueva idea para el equilibrio de la batería. Debido a las características de diseño de las celdas de NiMH y NiZn, cuando se produce una sobrecarga, el agua del electrolito se descompondrá en los polos positivo y negativo, respectivamente, produciendo O2 y H2. Bajo la acción del catalizador en la batería, el O2 se combinará con el H2 para producir agua y completar un ciclo, por lo que NiMH y NiZn tienen muy buenas propiedades anti-sobrecarga, y podemos aprovechar esto. Con una o varias baterías en tándem de NiMH y NiZn en paralelo con baterías de iones de litio, la corriente fluirá casi por completo a través de las baterías de NiMH y NiZn cuando el voltaje de carga alcance el límite superior, evitando así la sobrecarga de las baterías de iones de litio. También podemos usar esto para igualar las baterías de iones de litio. Podemos asegurarnos de que todas las celdas se puedan cargar por completo siempre que continuemos cargando las baterías, sin preocuparnos de que algunas celdas se sobrecarguen, mejorando así la consistencia de la capacidad interna de la batería. El experimento también confirmó que un ciclo de carga y descarga puede alcanzar un equilibrio de capacidad del 8% (LFP / C -2 NiZn). La mayor ventaja de este método es que no se requiere el monitoreo de voltaje de las celdas individuales en el paquete de baterías en todo el proceso. Es completamente automático, por lo que simplifica enormemente la estructura del paquete de baterías y mejora la confiabilidad del paquete de baterías.

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