¿Por qué la batería de litio no puede tener alta potencia y alta densidad de energía?

Para los vehículos eléctricos puros con baterías de iones de litio, la dificultad de carga sigue siendo un gran problema, por lo que la "carga rápida" se ha convertido en un truco para muchos fabricantes. En opinión del autor, el problema de la carga rápida de la batería de litio debe analizarse desde dos niveles.

A nivel de celda, el rendimiento multiplicador de la batería de iones de litio está restringido por las características de transmisión intrínseca del sistema de colocación de material de ánodo / electrolito / electrodo negativo, por un lado, y por otro lado, la tecnología de chip y el diseño de la estructura de la celda también tienen una gran influencia en el rendimiento del multiplicador. Sin embargo, en términos de conducción del portador y operación de transporte, el litio no es adecuado para la "carga rápida". La conducción del portador intrínseco y el transporte del sistema de litio dependen de la conductividad de los materiales del ánodo y cátodo, el coeficiente de difusión de iones de litio y la conductividad del electrolito orgánico.

Basado en el mecanismo de reacción incrustado de iones de litio en materiales de ánodo (canales de iones unidimensionales de olivino, materiales en capas de canales bidimensionales y material de cátodo de espinela tridimensional) y materiales de ánodo de grafito negativo (capas) del coeficiente de difusión es generalmente un sistema de agua de la batería secundaria fase de salida REDOX velocidad de reacción constante baja varios órdenes de magnitud. Además, la conductividad iónica del electrolito orgánico es dos órdenes de magnitud menor que la del electrolito de la batería secundaria del sistema de agua (ácido fuerte o base fuerte).

El electrodo negativo de la batería de litio tiene una película SEI en su superficie. La polarización del electrodo de polvo en el electrolito orgánico es mucho más grave que la del sistema de agua. Además, bajo la condición de carga de gran aumento, la celosía del material positivo se daña fácilmente y la capa de la hoja de grafito negativa también puede dañarse. Todos estos factores acelerarán la atenuación de la capacidad, lo que afectará gravemente a la vida útil de la batería de potencia.

Por lo tanto, las características intrínsecas de la reacción incrustada determinan que las baterías de iones de litio no son adecuadas para una carga de alta velocidad. Los resultados de la investigación han confirmado que el ciclo de vida de una sola batería se reducirá en gran medida en el modo de carga rápida y liberación rápida, y el rendimiento de la batería disminuirá significativamente en el período posterior de uso.

Por supuesto, un lector podría decir, ¿no es posible cargar y descargar baterías de titanato de litio (LTO) a altas velocidades? Las multiplicidades del titanato de litio se pueden explicar por su estructura cristalina y su coeficiente de difusión de iones. Sin embargo, la densidad de energía de la batería de titanato de litio es muy baja, y su uso del tipo de energía se logra a expensas de la densidad de energía, lo que conduce al alto costo energético unitario ($ / Wh) de la batería de titanato de litio y al rendimiento de bajo costo. determina que la batería de titanato de litio no puede convertirse en la corriente principal del desarrollo de baterías de litio. De hecho, las bajas ventas de las baterías SCiB de Toshiba en los últimos años son reveladoras.

A nivel de celda, el rendimiento multifactorial se puede mejorar desde la perspectiva de la tecnología de chip y el diseño de la estructura de la celda, como hacer que el electrodo sea más delgado o aumentar la proporción de agente conductor. Es más, algunos fabricantes han recurrido a medidas extremas como retirar los termistores de las celdas y espesar el líquido colector. De hecho, muchas compañías de baterías de energía doméstica tienen su batería de energía LFP en datos de alta potencia de 30C o incluso 50C como un punto culminante técnico.

Lo que quiero señalar aquí es que a modo de prueba sí, pero lo que pasa dentro de la celda es la clave. Con un tiempo prolongado y una alta tasa de carga y descarga, la estructura de los materiales positivos y negativos puede haberse destruido y el litio ya se ha separado del electrodo negativo. Estos problemas deben identificarse con algunos métodos de detección in situ (como SEM, XRD y difracción de neutrones, etc.). Desafortunadamente, hay pocos informes sobre la aplicación de estos métodos de detección in situ en empresas de baterías domésticas.

Aquí el autor también recuerda al lector que preste atención a la diferencia entre el proceso de carga y descarga de la batería de litio. A diferencia del proceso de carga, el daño causado por la descarga de la batería de litio a una alta tasa de potencia (trabajo externo) no es tan grave como el causado por la carga rápida, que es similar a otras baterías secundarias en sistemas de agua. Sin embargo, para el uso práctico de vehículos eléctricos, la necesidad de una carga de alta velocidad (carga rápida) es sin duda más urgente que una gran descarga de corriente.

Cuando se trata del nivel de la batería, la situación será más complicada. En el proceso de carga, el voltaje y la corriente de carga de diferentes baterías individuales no son consistentes, lo que inevitablemente conducirá a que el tiempo de carga de las baterías eléctricas supere el de las baterías individuales. Eso significa que la batería seguramente superará la mitad de la capacidad de una sola batería en 30 minutos con la carga convencional, en parte porque las ventajas de la carga rápida no son tan obvias.

Además, en el proceso de uso (descarga) de la batería de iones de litio, su consumo de capacidad y el tiempo de descarga no son una relación lineal, sino con el tiempo de disminución acelerada. Por ejemplo, si un automóvil eléctrico tiene una autonomía completa de 200 km, la batería de potencia puede tener aún el 80% de su capacidad después de una autonomía normal de 100 km. Cuando la capacidad de la batería es del 50%, es posible que el automóvil eléctrico solo pueda viajar 50 km. Esta característica de la batería de iones de litio nos dice que cargar solo la mitad o el 80% de la energía de la batería no puede satisfacer las necesidades reales de uso de los autos eléctricos. Por ejemplo, la muy publicitada tecnología de carga rápida de Tesla es en realidad más un truco que una práctica en opinión del autor, y la carga rápida frecuente definitivamente empeorará la vida útil y el rendimiento de la batería, y traerá serios riesgos de seguridad.

Dado que la batería de litio no es adecuada para la carga rápida en esencia, entonces, teóricamente, el modo de cambio eléctrico puede compensar su deficiencia de carga rápida. Aunque el diseño de la batería de potencia en el tipo enchufable conduce a la resistencia de la estructura del vehículo y al problema técnico del aislamiento eléctrico, pero también el estándar de la interfaz de la batería y el problema súper difícil, personalmente creo que este modelo aún puede considerarse como una tecnología para iones de litio. Problemas de carga rápida de la batería (también es una forma técnicamente más práctica.

En opinión del autor, la razón por la que el modelo "alquiler de baterías + intercambio de energía" no tiene precedentes de éxito en el mundo, además del problema de los hábitos de consumo (el propietario piensa que la batería es de su propiedad privada al igual que el automóvil), la principal El obstáculo reside en el enorme problema de distribución de beneficios que se esconde detrás de las normas técnicas. En el oeste altamente orientado al mercado, el problema es mucho más difícil de resolver que en China. Personalmente, el autor cree que en el futuro, puede haber un gran espacio para el desarrollo del modelo eléctrico-cambio-por-electricidad en las áreas donde se concentran los vehículos eléctricos puros, como autobuses, taxis o vehículos Compartidos.

2.3.2 características de alta potencia de las pilas de combustible: en comparación con el problema de la carga rápida de las pilas de energía de iones de litio, el problema de introducir hidrógeno en las pilas de combustible es mucho más sencillo. Casi todos los fc-ev de hoy se pueden llenar con hidrógeno en tres minutos. Si bien tres minutos es un poco más que una sesión de repostaje normal, no es nada comparado con la carga rápida de seis horas de carga pura / media hora de tesla. Sin embargo, no es apropiado comparar el problema de la carga rápida del litio con la hidrogenación de las pilas de combustible. Debido a que es fácil combinar la carga de vehículos eléctricos con la red eléctrica y la hidrogenación de celdas de combustible, la infraestructura es mucho más difícil de construir que las estaciones de carga.

Cuando se trata del rendimiento de la energía, el autor discutirá nuevamente la densidad de energía de la batería de litio y la celda de combustible, porque la energía es en realidad el problema de energía. Técnicamente, las baterías de iones de litio se pueden cargar y descargar a una velocidad mayor mediante un proceso que implica hacer que los electrodos sean muy delgados o aumentar la cantidad de material conductor en la batería.

En otras palabras, es fundamentalmente imposible que una sola celda de litio tenga tanto una alta densidad de energía como una alta densidad de potencia. Por ejemplo, la celda única AHR32113 de A123 tiene un excelente rendimiento de aumento, y su densidad de potencia puede ser tan alta como 2.7kw / Kg bajo la condición de prueba de aumento ultra alto de 40C, pero su densidad de energía es de solo 70Wh / Kg. Para otro ejemplo, la densidad de energía de la celda de paquete suave del i-phone7 ha alcanzado el nivel de 250Wh / Kg, pero su rendimiento de energía es relativamente pobre, y solo puede cargar y descargar a una tasa de energía baja por debajo de 0.5c.

Pero quiero enfatizar aquí que las pilas de combustible pueden ser fácilmente tanto de alta energía como de alta potencia, lo cual se debe precisamente a su principio de funcionamiento abierto único. El reactor PEMFC es el sitio de generación electroquímica. Su proceso de reacción electrocatalítico heterogéneo único permite una alta densidad de corriente de intercambio en la superficie del catalizador de Pt / C independientemente de la oxidación electroquímica del hidrógeno o la reducción electroquímica del oxígeno.

De hecho, la densidad de corriente de los reactores PEMFC de nueva generación de Toyota y GM está generalmente cerca del nivel de 1A / cm2 en condiciones de trabajo reales (0.6-0.7v para una sola batería), que es aproximadamente dos órdenes de magnitud más alta que la corriente. densidad de las baterías de potencia LFP ampliamente utilizadas en China a razón de 1C.

El sistema PEMFC de ToyotaMirai tiene una densidad de energía de más de 350Wh / Kg y una densidad de potencia de 2.0KW / Kg. Por el contrario, el sistema de batería de iones de litio de TeslaModelS tiene una densidad de energía de 156Wh / Kg, mientras que la densidad de potencia es de solo 0,16kw / Kg, ¡un orden de magnitud más bajo que Mirai! La pila PEMFC se ensambla como una prensa de filtro de celda única, y su potencia se puede aumentar aumentando el número de celdas individuales (no linealidad). La densidad de energía de PEMFC depende de la cantidad de hidrógeno almacenado en el sistema de almacenamiento de hidrógeno, que también se puede aumentar aumentando el volumen o el número de tanques de almacenamiento de hidrógeno.

En otras palabras, el sistema PEMFC puede tener una alta densidad de energía y una alta densidad de potencia, lo que es imposible para cualquier tipo de batería secundaria. La razón fundamental radica en la diferencia esencial entre sistema cerrado y modo de trabajo abierto. Pero al mismo tiempo tiene la característica de condición de alta energía y alta potencia, es exactamente el automóvil moderno para la solicitud técnica más básica del sistema de energía.

La página contiene el contenido de la traducción automática.