¿Cuáles son los factores que restringen la capacidad de carga rápida de las baterías de litio?

El proceso microscópico de carga

Las baterías de litio se denominan baterías "tipo balancín", con iones eléctricos que se mueven entre los polos positivo y negativo, logrando la transferencia de carga, suministrando circuitos externos o cargando desde fuentes de energía externas. En el proceso de carga específico, el voltaje externo se carga en los dos polos de la batería y el ión de litio se desempaqueta del material del electrodo positivo y entra en el electrolito. Al mismo tiempo, el exceso de electrones se genera a través del fluido del conjunto de electrodos positivos y se mueven al electrodo negativo a través del circuito externo; El ión de litio se mueve de positivo a negativo en el electrolito y pasa a través del diafragma para alcanzar el electrodo negativo; La membrana SEI que pasa a través de la superficie negativa está incrustada en la estructura de capas de grafito negativo y se une a los electrones.

Durante toda la operación de iones y electrones, las estructuras de las células que afectan la transferencia de carga, ya sea electroquímica o física, tendrán un impacto en el rendimiento de carga rápida.

Carga rápida, requisitos para todas las partes de la batería

Para las baterías, si desea mejorar el rendimiento de la energía, debe trabajar en todas las partes de la batería, incluidos el diseño positivo, negativo, electrolítico, diafragma y estructural.

electrodo positivo

De hecho, se pueden utilizar todo tipo de materiales positivos para fabricar baterías de carga rápida.Las principales propiedades a garantizar incluyen conductividad (resistencia interna reducida), difusión (cinética de reacción garantizada), vida útil (no se requiere explicación), seguridad (no se requiere explicación). ), rendimiento de procesamiento adecuado (no demasiado grande para el área de superficie, efectos secundarios reducidos, por seguridad). Por supuesto, puede haber diferencias en los problemas a resolver para cada material específico, pero nuestros materiales positivos comunes pueden cumplir estos requisitos a través de una serie de optimizaciones, pero los diferentes materiales también difieren:

R, El fosfato de litio y hierro puede estar más enfocado en resolver problemas de conductividad eléctrica y baja temperatura. Recubrimiento de carbono, nanotecnología moderada (nota, moderación, absolutamente no la lógica más fina y mejor), el tratamiento de conductores iónicos en la superficie de las partículas es la estrategia más típica.

B, La conductividad del material ternario en sí es relativamente buena, pero su reactividad es demasiado alta, por lo que el material ternario tiene poco trabajo de nanocristalización (la nanocristalización no es un antídoto para la mejora del rendimiento del material metalúrgico, especialmente en El campo de las baterías. A veces hay muchas reacciones en el sistema. Se presta más atención a la seguridad y los efectos secundarios de la inhibición (y los electrolitos). Después de todo, el objetivo principal de los materiales ternarios es la seguridad. Los accidentes recientes de seguridad de las baterías también son frecuentes. Se plantearon requisitos más altos.

C, el manganato de litio es más importante para la vida, también hay muchas baterías recargables rápidas de manganato de litio en el mercado.

electrodo negativo

Cuando se carga la batería de iones de litio, el litio migra al electrodo negativo. El potencial excesivamente alto causado por la carga rápida de grandes corrientes conducirá a un potencial más negativo. En la actualidad, el material de ánodo dominante en el mercado sigue siendo el grafito (alrededor del 90% de la cuota de mercado), la causa principal no es él: barato (¡eres demasiado caro todos los días, signo de exclamación!), Y el rendimiento de procesamiento integral y energía del grafito La densidad es relativamente buena y las desventajas son relativamente pequeñas. Por supuesto, los ánodos de grafito también tienen problemas. La superficie es sensible a los electrolitos y la reacción de intercalación de litio tiene una fuerte direccionalidad. Por lo tanto, es principalmente necesario trabajar duro para realizar el tratamiento de la superficie del grafito, mejorar su estabilidad estructural y promover la difusión de iones de litio sobre el sustrato. dirección.

R, El material negativo que actualmente domina el mercado sigue siendo el grafito (que representa aproximadamente el 90% de la cuota de mercado). La razón básica no es nada barata (¡siempre le temen a las baterías, los signos de exclamación!), Y el rendimiento de procesamiento integral del grafito, la densidad de energía es relativamente buena, relativamente pocas desventajas. Por supuesto, también hay problemas con los polos negativos de grafito. La superficie es más sensible a los electrolitos. La reacción de incrustación del litio tiene una fuerte direccionalidad. Por lo tanto, el tratamiento de la superficie del grafito, la mejora de su estabilidad estructural y la promoción de la difusión de iones de litio en la base son las principales necesidades. La dirección del esfuerzo.

B, los materiales de carbono duro y de carbono blando también se han desarrollado mucho en los últimos años: los materiales de carbono duro tienen un alto potencial de litio y hay microporos en el material, por lo que la cinética de reacción es buena; La compatibilidad de los materiales de carbono blando con los electrolitos es buena, y los materiales de MCMB también son muy representativos, pero la eficiencia general de los materiales de carbono blando y duro es baja y el costo es alto (y es tan barato como el grafito, me temo que no es prometedor desde un punto de vista industrial). Por lo tanto, la cantidad actual es mucho menor que la del grafito. Más para unas baterías especiales.

C, Algunas personas me preguntarán cómo es el titanato de litio. En pocas palabras: el titanato de litio tiene la ventaja de una alta densidad de potencia, seguridad, desventajas obvias, baja densidad de energía y alto costo en Wh. Por lo tanto, la opinión del autor sobre las baterías de titanato de litio siempre ha sido que es una tecnología útil que tiene ventajas en situaciones específicas, pero no es adecuada para muchas ocasiones en las que los requisitos de costo y kilometraje son altos.

D, el material de electrodo negativo de silicio es una dirección de desarrollo importante, la nueva batería 18650 de Panasonic ha comenzado el proceso comercial de dichos materiales. Pero cómo lograr un equilibrio entre el rendimiento de los nanocristales y los requisitos generales de nivel de micras de la industria de las baterías sigue siendo una tarea desafiante.

Diafragma

Para las baterías de tipo de energía, el funcionamiento de alta corriente proporciona requisitos más altos para su seguridad y vida. La tecnología de recubrimiento de diafragma se desenrolla y el diafragma de recubrimiento cerámico se está alejando rápidamente debido a su alta seguridad y puede consumir impurezas en el electrolito, especialmente para mejorar la seguridad de la batería ternaria. El sistema actual utilizado en el diafragma cerámico consiste en revestir partículas de óxido de aluminio en la superficie del diafragma tradicional. El enfoque más novedoso consiste en aplicar fibras de electrolito sólidas al diafragma. La resistencia interna de dicho diafragma es menor y la fibra se utiliza para el diafragma. El efecto de soporte mecánico es mejor. Además, tiene una menor tendencia a bloquear el orificio del diafragma durante el servicio.

electrólito

El electrolito tiene una gran influencia en el rendimiento de las baterías de iones de litio de carga rápida. Para garantizar la estabilidad y seguridad de la batería bajo la gran corriente de carga rápida, el electrolito debe cumplir las siguientes características: A) no se puede descomponer, B) alta conductividad, C) es inerte para el material del electrodo positivo y negativo, no puede reaccionar o disolver. Si desea cumplir con estos requisitos, la clave es utilizar aditivos y electrolitos funcionales. Por ejemplo, la seguridad de las baterías ternarias recargables rápidas se ve muy afectada por ello. Es necesario agregar una variedad de aditivos anti-alta temperatura, retardadores de llama y anti-carga para mejorar su seguridad hasta cierto punto. El viejo y difícil problema de las baterías de titanato de litio, el gas de alta temperatura, también debe depender de los electrolitos funcionales de alta temperatura para mejorar.

Diseño de estructura de batería

Una estrategia de optimización típica es el tipo de bobinado VS laminado. Los electrodos de la batería laminada son bastante paralelos y el tipo de bobinado está bastante conectado en serie. Por tanto, el primero tiene una resistencia interna mucho menor y es más adecuado para situaciones de tipo potencia. Además, también puede trabajar en la cantidad de orejas polares para resolver el problema de la resistencia interna y la disipación de calor. Además, el uso de materiales de electrodos de alta conductividad, el uso de agentes más conductores y el recubrimiento de electrodos más delgados también son estrategias que se pueden considerar.

En resumen, los factores que afectan el movimiento de carga interna de la batería y la velocidad de perforación del electrodo incrustado afectarán la capacidad de carga rápida de la batería de litio.

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