Relación de carga y descarga de la batería de iones de litio

La tasa de carga y descarga de la batería de iones de litio determina qué tan rápido podemos almacenar una cierta cantidad de energía en la batería, o qué tan rápido podemos liberar la energía en la batería. Por supuesto, este proceso de almacenamiento y liberación está controlado, es seguro y no afecta significativamente la vida útil de la batería ni otras métricas de rendimiento.

El índice multiplicador es particularmente importante cuando las baterías se utilizan como portadores de energía para vehículos eléctricos. Imagínese que si conduce un automóvil eléctrico para hacer negocios y descubre que la energía se está agotando a la mitad, y encuentra una estación de carga para cargar el automóvil, y no está llena después de una hora de carga, puede demorar su carga. trabaja. O tal vez su automóvil eléctrico está subiendo una colina empinada y, no importa qué tan fuerte pise el acelerador, es lento como una tortuga y no puede levantarse y quiere empujarlo.

Obviamente, no queremos ver estas escenas anteriores, pero es la situación actual de las baterías de iones de litio, el tiempo de carga es largo, la descarga no puede ser demasiado fuerte, de lo contrario la batería envejecerá pronto e incluso pueden ocurrir problemas de seguridad. Pero en muchas aplicaciones, necesitamos baterías con una alta tasa de carga y rendimiento de descarga, por lo que aquí estamos atrapados en la "batería" nuevamente. Para que las baterías de iones de litio se desarrollen mejor, es importante comprender qué limita su rendimiento energético.

El rendimiento de la tasa de carga y descarga de la batería de iones de litio está directamente relacionado con la capacidad de migración del ión de litio en el electrodo positivo y negativo, el electrolito y la interfaz entre ellos. Todos los factores que afectan la tasa de migración de iones de litio (estos factores también pueden ser equivalentes a la resistencia interna de la batería) afectarán el rendimiento de la tasa de carga y descarga de la batería de iones de litio. Además, la tasa de disipación de calor dentro de la batería también es un factor importante que afecta el rendimiento del multiplicador. Si la tasa de disipación de calor es lenta, el calor acumulado durante la carga y descarga a una tasa alta no se puede transferir, lo que afectará seriamente la seguridad y la vida útil de la batería de iones de litio. Por lo tanto, el estudio y la mejora del rendimiento de la tasa de carga y descarga de la batería de iones de litio se centran principalmente en mejorar la velocidad de migración de los iones de litio y la tasa de disipación de calor dentro de la batería.

1. Mejorar la capacidad de difusión de iones de litio de los electrodos positivos y negativos.

La velocidad a la que los iones de litio se desprenden y se incrustan en el material activo positivo / negativo, es decir, la velocidad a la que los iones de litio escapan del material activo positivo / negativo o encuentran un lugar en el material activo desde la superficie del positivo / negativo. electrodo, es un factor importante que afecta la velocidad de carga y descarga.

En todo el mundo todos los años, por ejemplo, hay muchos maratones, aunque todos básicamente al mismo tiempo, el ancho de la carretera es limitado, sin embargo, hay demasiadas personas que han participado (y a veces hasta decenas de miles de personas), causan aglomeraciones mutuas, además de La calidad física de los participantes es desigual, el equipo finalmente se convierte en un frente súper largo. Algunos llegan rápidamente a la línea de meta, otros llegan unas horas tarde, otros se desmayan y se detienen a mitad de camino.

La difusión y el movimiento de los iones de litio en el electrodo positivo / negativo es básicamente el mismo que en el maratón, algunos corren lentamente y otros corren rápido. Además, la diferente longitud del camino que eligen restringe seriamente el tiempo del final de la carrera (todos terminan la carrera). Por tanto, no queremos correr un maratón. Es mejor para todos correr 100 metros. La distancia es lo suficientemente corta para que todos puedan llegar rápidamente a la línea de meta. De esta manera, el árbitro un anillo, miles de tropas y caballos juntos hasta el final de la carrera, el final de la carrera rápidamente, con excelente desempeño.

En el material positivo, esperamos que la hoja del electrodo sea lo suficientemente delgada, es decir, el espesor del material activo debe ser pequeño, lo que equivale a acortar la distancia de carrera, por lo que esperamos aumentar la densidad de compactación del material positivo. cuanto más se pueda. En el material activo, debe haber suficiente espacio poroso para dejar un canal para que compitan los iones de litio. Al mismo tiempo, estas "pistas" deben distribuirse uniformemente, no en algunos lugares ni en algunos lugares. Esto requiere optimizar la estructura del material del ánodo, cambiar la distancia y la estructura entre las partículas y lograr una distribución uniforme. Los dos puntos anteriores son en realidad contradictorios. Para mejorar la densidad de compactación, aunque el espesor se vuelve más delgado, el espacio de partículas se hará más pequeño y la pista aparecerá abarrotada. Por el contrario, mantener un cierto espacio de partículas no conduce a que el material sea más delgado. Por lo tanto, es necesario encontrar un punto de equilibrio para lograr la tasa de migración óptima de los iones de litio.

Además, el coeficiente de difusión de los iones de litio se ve afectado significativamente por los materiales del ánodo. Por lo tanto, es una dirección importante seleccionar materiales de ánodo con alto coeficiente de difusión de iones de litio para mejorar el rendimiento del multiplicador.

La idea de tratamiento de los materiales de los electrodos negativos es similar a la de los materiales de los electrodos positivos. Se basa principalmente en la estructura, el tamaño y el grosor de los materiales para reducir la diferencia de concentración de iones de litio en los materiales de los electrodos negativos y mejorar la capacidad de difusión de los iones de litio en los materiales de los electrodos negativos. Tomando como ejemplo los materiales de ánodo a base de carbono, en los últimos años, las investigaciones sobre materiales de nanocarbono (nanotubos, nanocables, nanoesferas, etc.) pueden mejorar significativamente el área de superficie específica, la estructura interna y el canal de difusión de los materiales del ánodo al reemplazar el estructura en capas tradicional del ánodo, mejorando así en gran medida el rendimiento multiplicador de los materiales del ánodo.

2. Mejorar la conductividad iónica de los electrolitos.

Los iones de litio juegan una carrera en un material positivo / negativo, pero la carrera en un electrolito está nadando.

En la natación, cómo reducir la resistencia del agua (electrolito) se convierte en la clave de la velocidad. En los últimos años, los nadadores generalmente usan trajes de tiburón, que pueden reducir en gran medida la resistencia del agua en la superficie del cuerpo humano, mejorando así el rendimiento de los atletas y convirtiéndose en un tema muy controvertido. Los iones de litio tienen que moverse de un lado a otro entre los polos positivo y negativo, al igual que nadar en la "piscina" formada por el electrolito y la carcasa de la batería. La conductividad iónica del electrolito, al igual que la resistencia del agua, tiene un gran impacto en la velocidad de los iones de litio que nadan. En la actualidad, el electrolito orgánico utilizado en la batería de iones de litio, ya sea electrolito líquido o electrolito sólido, su conductividad iónica no es muy alta. La resistencia del electrolito se convierte en una parte importante de la resistencia de toda la batería.

Además de mejorar la conductividad iónica de los electrolitos, también se debe enfatizar la estabilidad química y térmica de los electrolitos. Cuando se carga y descarga a un ritmo elevado, el rango de la ventana electroquímica de la batería es muy amplio. Si la estabilidad química del electrolito no es buena, es fácil oxidarlo y descomponerlo en la superficie del material del ánodo, lo que afecta la conductividad iónica del electrolito. La estabilidad térmica del electrolito tiene un gran impacto en la seguridad y el ciclo de vida de la batería de iones de litio, porque el electrolito generará una gran cantidad de gas cuando se descomponga con el calor. Por un lado, representa un peligro oculto para la seguridad de la batería; por otro lado, algo de gas destruirá la película SEI en la superficie del electrodo negativo, afectando el rendimiento de su ciclo.

Por lo tanto, elegir electrolitos con alta conductividad de iones de litio, buena estabilidad química y térmica y combinarlos con los materiales de los electrodos es una dirección importante para mejorar el rendimiento del multiplicador de las baterías de iones de litio.

3. Reducir la resistencia interna de la batería

Hay varios tipos diferentes de materiales y sus interfaces, que forman valores de resistencia, pero todos tienen un efecto sobre la conducción de iones / electrones.

En general, se agregarán agentes conductores dentro del material activo positivo, para reducir la resistencia de contacto entre el material activo y el fluido colector / matriz positivo, mejorar la conductividad del material positivo (conductividad de iones y electrones) y mejorar la rendimiento del multiplicador. Diferentes materiales y diferentes formas de agentes conductores afectarán la resistencia interna de la batería y, por lo tanto, afectarán su rendimiento multiplicador.

El colector positivo y negativo (oreja polar) es el portador de la transferencia de energía entre la batería de iones de litio y el mundo exterior. Por lo tanto, el rendimiento del multiplicador y el ciclo de vida de la batería de iones de litio se pueden mejorar cambiando el material, el tamaño, el método de extracción y el proceso de conexión del fluido colector.

El grado de infiltración del electrolito y el material del ánodo afectará la resistencia de contacto en la interfaz entre el electrolito y el electrodo, lo que afectará el rendimiento del multiplicador de la batería. La cantidad total de electrolito, viscosidad, contenido de impurezas y porosidad de los materiales de los electrodos positivos y negativos cambiará la impedancia de contacto entre el electrolito y el electrodo, que es una importante dirección de investigación para mejorar el rendimiento del multiplicador.

Durante el primer ciclo de una batería de iones de litio, se formará una capa de película de electrolito sólido (SEI) en el electrodo negativo a medida que los iones de litio se incrusten en el electrodo negativo. Aunque la película SEI tiene una buena conductividad iónica, todavía tiene cierto efecto obstaculizador sobre la difusión de iones de litio, especialmente en el caso de carga y descarga de alta velocidad. Con el aumento de los tiempos de ciclo, la película SEI se caerá, se despegará y se depositará en la superficie del electrodo negativo, lo que provocará un aumento de la resistencia interna del electrodo negativo, que se convierte en el factor que afecta el rendimiento de la relación de ciclo. Por lo tanto, controlar el cambio de película SEI también puede mejorar el rendimiento del multiplicador en el ciclo a largo plazo de la batería de iones de litio.

Además, la absorbancia y la porosidad de la membrana también tienen una gran influencia en la permeabilidad de los iones de litio y también afectan el rendimiento multiplicador de la batería de iones de litio hasta cierto punto (relativamente pequeño).

La página contiene el contenido de la traducción automática.