¿Por qué no se cargan rápido las baterías de litio?

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

Desde el nivel de la celda, el rendimiento de velocidad de la batería de iones de litio está limitado por las características de transmisión intrínsecas del sistema de material de cátodo / electrolito / electrodo negativo. Por otro lado, el proceso de la pieza polar y el diseño de la estructura de la celda también tienen un rendimiento de tasa más alto.

Sin embargo, desde la operación de transmisión y conducción de portadora más intrínseca, la batería de litio no es adecuada para la "carga rápida". La conducción intrínseca del portador y la operación de transporte del sistema de batería de litio depende principalmente de la conductancia de los materiales positivos y negativos y del coeficiente de difusión de iones de litio y de la conductividad del electrolito orgánico. Según el mecanismo de reacción integrado, los iones de litio se difunden en el material del electrodo positivo (olivino de canal iónico unidimensional, material en capas de canal bidimensional y material de cátodo de espinela en canal tridimensional) y material de ánodo de grafito del electrodo negativo (estructura en capas) El coeficiente es generalmente varios órdenes de magnitud menor que la constante de velocidad de la reacción redox heterogénea en la batería secundaria acuosa.

Además, la conductividad iónica del electrolito orgánico es dos órdenes de magnitud menor que la del electrolito de la batería secundaria acuosa (ácido fuerte o base fuerte). La superficie del electrodo negativo de la batería de litio tiene una capa de película SEI. De hecho, la tasa de rendimiento de la batería de litio está controlada en gran medida por la difusión de iones de litio en la película SEI. Dado que la polarización del electrodo de polvo en el electrolito orgánico es mucho más grave que la del sistema de agua, la superficie del electrodo negativo es propensa a la deposición de litio en condiciones de alta velocidad o baja temperatura, lo que representa un grave peligro para la seguridad.

Además, en condiciones de carga de gran velocidad, la red del material del electrodo positivo se daña fácilmente y la hoja de grafito negativo también puede dañarse. Estos factores acelerarán la atenuación de la capacidad, lo que afectará gravemente a la vida útil de la batería. Por lo tanto, las características esenciales de la reacción incrustada determinan que las baterías de iones de litio no son adecuadas para una carga de alta velocidad. Los resultados del estudio han confirmado que el ciclo de vida de la celda única en el modo de carga rápida y liberación rápida se reducirá considerablemente, y el rendimiento de la batería se degradará significativamente después de su uso.

Por supuesto, algunos lectores pueden decir que las baterías de titanato de litio (LTO) no se pueden cargar y descargar a gran velocidad.

La tasa de rendimiento del titanato de litio se puede explicar por su estructura cristalina y su coeficiente de difusión de iones. Pero la densidad de energía de la batería de titanato de litio es muy baja, lo que se basa en el uso de la densidad de energía de sacrificio del tipo de potencia lograda, lo que llevó a la unidad de energía de la batería de litio de titanato ($ / Wh) de alto costo y bajo costo El titanato de litio decidió no puede convertirse la corriente principal del desarrollo de baterías de litio. De hecho, la caída de las ventas de baterías Toshiba SCiB en Japón ya ha explicado el problema.

A nivel de celda, es posible mejorar el rendimiento de la tasa desde la perspectiva del proceso de la pieza polar y el diseño de la estructura de la celda. Por ejemplo, medidas como hacer el electrodo más delgado o aumentar la proporción del agente conductor son medios técnicos comunes. Es más, incluso los fabricantes han adoptado métodos extremos como eliminar el termistor en la celda y engrosar el colector de corriente. De hecho, muchas compañías de baterías de energía doméstica han realizado datos de gran aumento de sus baterías de energía LFP a 30 ° C o incluso 50 ° C como un punto destacado técnico.

Lo que quiero señalar aquí es que es comprensible como método de prueba, pero qué cambios han ocurrido dentro de la celda es la clave. Carga y descarga de alta velocidad a largo plazo, tal vez la estructura de los materiales positivos y negativos se haya destruido y el electrodo negativo ya se haya precipitado con litio. Estos problemas requieren algunos métodos de detección in situ (in situ) (como SEM, XRD y difracción de neutrones). claro. Desafortunadamente, estos métodos de detección in situ rara vez se han informado en empresas de baterías nacionales.

El autor aquí 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, la batería de litio se descarga a un ritmo mayor (trabajo externo) y el daño causado a la batería no es tan severo como la carga rápida. La batería secundaria de agua es similar. Sin embargo, para el uso real de vehículos eléctricos, la demanda de carga de alta velocidad (carga rápida) es sin duda más urgente que la descarga de alta corriente.

Cuando suba al nivel de la batería, la situación será más complicada. Durante el proceso de carga, el voltaje de carga y la corriente de carga de diferentes celdas individuales son inconsistentes, lo que inevitablemente hace que el tiempo de carga de la batería de energía exceda el de la batería individual. Esto significa que, aunque la tecnología de carga convencional puede cargar una sola batería a la mitad de su capacidad en 30 minutos, el paquete de baterías definitivamente superará este tiempo, lo que significa que la ventaja de la tecnología de carga rápida no es muy obvia.

Además, durante el uso (descarga) de una batería de iones de litio, el consumo de la capacidad y el tiempo de descarga no son lineales sino que se aceleran con el tiempo. Por ejemplo, si un automóvil eléctrico tiene una autonomía total de 200 kilómetros, cuando recorre 100 kilómetros normalmente, la batería de energía puede tener todavía un 80% de capacidad. Cuando la capacidad de la batería es del 50%, es posible que el automóvil eléctrico solo pueda conducir 50 kilómetros.

Esta característica de las baterías de iones de litio nos dice que simplemente cargar la mitad o el 80% de la energía de la batería es completamente incapaz de satisfacer las necesidades reales de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, Tesla promueve una tecnología de carga más rápida, que de hecho parece ser más práctica que el autor, y la carga rápida deteriorará gravemente la vida útil y el rendimiento de la batería y generará riesgos de seguridad.

Dado que la batería de litio no es adecuada para la carga rápida en esencia, teóricamente, el modo de cambio de energía puede compensar sus deficiencias de carga rápida. Aunque el diseño de la batería de potencia en un tipo enchufable provocará el problema de resistencia estructural de todo el vehículo y el problema del aislamiento eléctrico, y también hay súper problemas en los estándares y excusas de la batería, personalmente creo que este modo es una solución. al problema de la carga rápida de la batería de litio. Un enfoque técnico (solo técnicamente) es más factible.

En mi opinión, la razón por la que el “modo alquiler batería + intercambio de energía” no ha tenido éxito en el mundo, salvo el problema de los hábitos de consumo (el propietario piensa que la batería es la misma que la propiedad privada del auto), la El principal obstáculo radica en el enorme estándar de distribución de interés detrás de la tecnología. En los países occidentales altamente comercializados, es mucho más difícil resolver este problema que en China. El autor cree personalmente que en el futuro, en el campo del uso centralizado de dos vehículos eléctricos puros como autobuses y taxis en China, puede haber un gran margen de desarrollo.