¿Cómo mejorar el rendimiento de carga rápida de las baterías de litio?

La esencia de la carga y descarga rápidas de las baterías de litio es que los iones de litio se pueden desintercalar rápidamente entre materiales positivos y negativos. Las propiedades del material de la batería, el diseño del proceso y los sistemas de carga y descarga tienen un impacto en el rendimiento de carga de alta corriente.

Utilice este diagrama para ilustrar el proceso de carga de la batería. La abscisa es la ordenada del tiempo y se usa el voltaje. Al comienzo de la carga de la batería de litio, habrá un pequeño proceso de precarga de corriente, a saber, CCPre-charge, para estabilizar los materiales positivos y negativos. A partir de entonces, una vez que el estado de la batería es estable, se puede ajustar a una carga de alta corriente, es decir, CCFastCharge.

Finalmente, ingrese al modo de carga de voltaje constante (CV). Para la batería de litio, el sistema inicia el modo de carga de voltaje constante después de que el voltaje alcanza los 4,2 V, la corriente de carga se reduce gradualmente y, finalmente, la carga finaliza cuando el valor es menor que un cierto valor.

A lo largo del proceso, se encuentran disponibles diferentes corrientes de carga estándar para diferentes baterías. Por ejemplo, para los estándares de baterías de productos 3C, generalmente se selecciona 0.1C-0.5C, mientras que para baterías de alta potencia, la carga estándar es generalmente 1C. La elección de una corriente de carga más baja también tiene en cuenta la seguridad de la batería. Por lo tanto, la carga rápida que generalmente se dice significa que es varias veces hasta varias decenas de veces más alta que la corriente de carga estándar.

Algunas personas dicen que cargar una batería de litio es como servir cerveza. Es rápido y lleno de cerveza, pero tiene mucha espuma lento, lento, pero mucha cerveza, muy real. La carga rápida ahorra tiempo de carga y también causa un mayor daño a la propia batería.

Debido al fenómeno de polarización en la batería, la corriente de carga máxima que puede aceptarse disminuye con el aumento del ciclo de carga y descarga. Cuando la carga continúa y la corriente de carga es grande, la concentración de iones en el electrodo aumenta y la polarización se intensifica. El voltaje del terminal no puede ser directamente proporcional a la cantidad / energía cargada. Al mismo tiempo, una gran carga de corriente, el aumento de la resistencia interna conducirá a un agravamiento del efecto de calentamiento de Joule (Q = I2Rt), provocando reacciones secundarias, como la descomposición de la reacción de electrolitos, la producción de gas y otros problemas, el factor de riesgo aumenta repentinamente, resultando en la seguridad de la batería. El impacto, la duración de la batería sin energía se reducirá inevitablemente de manera significativa.

01 Material del cátodo

El proceso de carga rápida de la batería de litio es el proceso de migración rápida de Li + al electrodo negativo en el material del electrodo positivo. El tamaño de partícula del material del electrodo positivo puede afectar el tiempo de respuesta y la ruta de difusión de iones en el proceso electroquímico de la batería. Se estudia que a medida que disminuye el tamaño de grano del material, aumenta el coeficiente de difusión de los iones de litio. Sin embargo, a medida que disminuye el tamaño de partícula del material, se produce una aglomeración severa de partículas durante la producción, lo que resulta en una dispersión desigual, mientras que las nanopartículas reducen la densidad de compactación de la pieza polar y el contacto con el electrolito durante la carga y descarga. El área aumenta por reacciones secundarias, que afectan el rendimiento de la batería.

El método más confiable es modificar el revestimiento del material del electrodo positivo. Por ejemplo, la conductividad del LFP en sí no es tan buena. Después de recubrir la superficie con el material de carbono u otros materiales, se puede mejorar la conductividad, lo que es beneficioso para mejorar la carga rápida del rendimiento de la batería.

02 Material del ánodo.

La carga rápida de la batería de litio significa que los iones de litio escapan rápidamente y se "deslizan" hacia el electrodo negativo; en este momento, el material del electrodo negativo debe tener una capacidad de inserción rápida de litio, los materiales del ánodo para la carga rápida de baterías de litio incluyen materiales de carbono, titanato de litio y otros materiales novedosos.

Para los materiales de carbono, dado que el potencial de intercalación del litio es similar al del litio, en el caso de la carga convencional, los iones de litio se incrustan preferentemente en el grafito, pero bajo carga rápida o baja temperatura, los iones de litio pueden precipitar en la superficie para formar dendritas. . . El litio dendrítico perfora el SEI, provocando una pérdida secundaria de Li + y reduciendo la capacidad de la batería. Cuando el metal de litio alcanza una cierta cantidad, crecerá desde el electrodo negativo hasta el separador, lo que puede provocar un cortocircuito en la batería.

Para LTO, es un material de ánodo que contiene oxígeno de deformación cero, que no produce SEI cuando la batería está funcionando, y su capacidad para combinarse con iones de litio es más fuerte, lo que puede cumplir con los requisitos de carga rápida y liberación rápida. Al mismo tiempo, es precisamente porque el SEI no se puede formar, el material del electrodo negativo entrará en contacto directamente con el electrolito, lo que promueve la aparición de reacciones secundarias. El problema de la producción de gas de la batería LTO no se puede resolver y solo se puede aliviar mediante el método de modificación de la superficie.

03 Electrodo líquido

Como se mencionó anteriormente, durante el proceso de carga rápida, debido a la tasa de migración de iones de litio y la tasa de transferencia de electrones inconsistentes, la batería tendrá una gran polarización. Para minimizar la reacción negativa causada por la polarización de la batería, los siguientes tres puntos serán la dirección de desarrollo del electrolito: 1. Sal electrolítica de alta disociación; 2. La viscosidad del compuesto disolvente es menor; 3. Impedancia de la membrana de control de la interfaz Inferior.

04 Relación entre proceso de producción y carga rápida

En el pasado, se analizaron tres materiales clave, como materiales positivos y negativos y líquidos de electrodos, para analizar los requisitos y efectos de la carga rápida. El siguiente es un diseño de proceso relativamente grande. Los parámetros del proceso de fabricación de la batería afectan directamente la resistencia a la migración de los iones de litio en varias partes de la batería antes y después de la activación de la batería. Por lo tanto, los parámetros del proceso de preparación de la batería tienen un impacto importante en el rendimiento de la batería de iones de litio.

(1) Lechada

Por la naturaleza de la suspensión, por un lado es necesario mantener una dispersión uniforme del agente conductor. Debido a que el agente conductor se distribuye uniformemente entre las partículas de material activo, se puede formar una red conductora relativamente uniforme entre los materiales activos y entre el material activo y el colector de corriente, que tiene la función de recolectar microcorrientes, reduce la resistencia de contacto y puede mejorar la velocidad de movimiento de los electrones. . Otro aspecto es evitar la dispersión excesiva del agente conductor. Durante el proceso de carga y descarga, la estructura cristalina de los materiales positivos y negativos cambiará, lo que puede provocar que el agente conductor se despegue y se despegue, lo que aumentará la resistencia interna de la batería y afectará el rendimiento.

(2) Densidad de polos

En teoría, la batería de tipo tarifa y la batería de alta capacidad no se pueden combinar. Cuando la densidad superficial de las piezas polares positivo y negativo es baja, se puede aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio y se puede reducir la resistencia a la migración de iones y electrones. Cuanto menor es la densidad del área, más delgada es la pieza polar y menor es el cambio en la estructura de la pieza polar debido a la inserción y expulsión continua de iones de litio durante la carga y descarga.

Sin embargo, si la densidad de área es demasiado baja, la densidad de energía de la batería se reducirá y el costo aumentará. Por lo tanto, es necesario considerar exhaustivamente la densidad de la superficie. La siguiente figura es un ejemplo de una descarga de 1C de carga 6C de una batería de óxido de cobalto de litio. Puedes ver:

(3) Consistencia del recubrimiento de la pieza de poste

Un amigo preguntó antes, ¿la densidad inconsistente de los polos afecta la batería? Por cierto, para el rendimiento de carga rápida, es principalmente la consistencia de la pieza del polo negativo. Si la densidad de la superficie negativa es inconsistente, existe una gran diferencia en la porosidad interna del material activo después del laminado. La diferencia de porosidad provoca una diferencia en la distribución de la corriente interna, lo que afecta la formación y el rendimiento de SEI durante la etapa de formación de la batería y, en última instancia, afecta el rendimiento de carga rápida de la batería.

(4) Densidad de compactación de la pieza de poste

¿Por qué está compactada la pieza polar? Uno es aumentar la energía específica de la batería y el otro es mejorar el rendimiento de la batería. La densidad de compactación óptima es diferente para diferentes materiales de electrodos. Para aumentar la densidad de compactación, cuanto menor sea la porosidad de la pieza polar del electrodo, más estrecha será la conexión entre las partículas y menor será el grosor de la pieza polar a la misma densidad de área, reduciendo así la ruta de migración de los iones de litio.

Cuando la densidad de compactación es demasiado grande, el efecto de infiltración del electrolito no es bueno, y la estructura del material y la distribución del agente conductor pueden destruirse y el problema del devanado puede ocurrir más tarde. Lo mismo es la batería de óxido de cobalto de litio 6C cargando 1C descarga el efecto de la densidad de compactación en la capacidad específica de descarga es el siguiente:

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05 en envejecimiento y otros

Para las baterías de carbono negativo, el envejecimiento químico es un proceso clave para las baterías de litio, y este proceso afecta la calidad de SEI. El grosor del SEI no es uniforme o estructuralmente inestable, lo que afectará la capacidad de carga rápida y el ciclo de vida de la batería.

Además de los importantes factores mencionados anteriormente, los sistemas de fabricación, carga y descarga de baterías tendrán un mayor impacto en el rendimiento de las baterías de litio. A medida que se prolonga el tiempo de uso, la tasa de carga de la batería debe reducirse moderadamente, de lo contrario, la polarización se agravará.

Conclusión

La esencia de la carga y descarga rápidas de las baterías de litio es que los iones de litio se pueden desintercalar rápidamente entre materiales positivos y negativos. Las propiedades del material de la batería, el diseño del proceso y los sistemas de carga y descarga tienen un impacto en el rendimiento de carga de alta corriente. La estabilidad estructural de los materiales positivos y negativos facilita el colapso de la estructura durante la deslocalización rápida, y los iones de litio se difunden más rápidamente en el material para soportar cargas de alta corriente. Dado que la velocidad de migración de iones y la velocidad de transporte de electrones no coinciden, la polarización se produce durante la carga y descarga, y la polarización debe minimizarse para evitar que el metal de litio se precipite y la capacidad se vea afectada.

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