¿Por qué las baterías de litio no pueden equilibrar la alta potencia y la alta densidad de energía?

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. Personalmente, creo que 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.

Según el mecanismo de reacción incorporado, los iones de litio se difunden en el material del cátodo (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 negativo (estructura en capas) El coeficiente es generalmente varios órdenes de magnitud por debajo de 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 cristalina 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 de potencia.

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 en gran medida, y el rendimiento de la batería se degradará significativamente en el uso posterior.

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. Sin embargo, la batería de titanato de litio tiene una densidad de energía muy baja, y su uso de tipo de energía se logra sacrificando la densidad de energía, lo que conduce a un alto costo por unidad de energía ($ / Wh) de la batería de titanato de litio, y el rendimiento de bajo costo determina titanato de litio. Es poco probable que la batería se convierta en 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 piezas polares 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 termistores en las celdas 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 ha destruido, el electrodo negativo se ha precipitado con litio, estos problemas deben utilizar algunos medios de detección in situ (in situ) (como SEM, XRD y difracción de neutrones, etc.) 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 solo la mitad o el 80% de la energía de la batería eléctrica no puede satisfacer las necesidades reales de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, Tesla promueve una tecnología de carga más rápida, que en realidad es más práctica que el autor, y la carga rápida frecuente definitivamente deteriorará 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, 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 los problemas técnicos de aislamiento eléctrico, así como el superproblema del estándar de la batería y la interfaz, el autor cree personalmente que esto El modo es una solución al problema de la carga rápida de la batería de litio. Un enfoque técnico (y solo técnicamente) es más factible.

En mi opinión, el "modo alquiler batería + intercambio de energía" no ha sido un precedente exitoso en el mundo, excepto por el problema de los hábitos de consumo (el propietario piensa que la batería es la misma que la propiedad privada del automóvil), el El principal obstáculo radica en la tecnología oculta El enorme problema de distribución de beneficios detrás del estándar. 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 vehículos eléctricos puros como el autobús, el taxi o el coche compartido en China, puede haber un gran margen de desarrollo.

2.3.2 Características de alta potencia de las pilas de combustible: en comparación con el problema de carga rápida de las baterías de iones de litio, el problema del llenado de las pilas de combustible con hidrógeno es mucho más sencillo. Casi todos los FC-EV ahora se pueden llenar con hidrógeno en tres minutos. Aunque tres minutos es más largo que el tiempo de repostaje normal, obviamente no vale la pena mencionarlo durante tres minutos en comparación con la carga general de 6 horas / carga rápida de media hora de Tesla. Sin embargo, comparar el problema de la carga rápida de las baterías de litio con la hidrogenación de las pilas de combustible no es apropiado para el autor. Debido a que la combinación de la carga de vehículos eléctricos y la red eléctrica es fácil y el problema de la hidrogenación de la celda de combustible, la construcción de infraestructura es mucho más difícil que la construcción de una estación de carga.

En lo que respecta al rendimiento de la tasa, discutiré la densidad de potencia de las baterías de litio y las celdas de combustible aquí, porque la tasa es en realidad un problema de energía. Técnicamente, la batería de litio puede utilizar algunas medidas de proceso (como adelgazar el electrodo o aumentar el contenido de agente conductor, etc.) para lograr una carga y descarga de gran velocidad, pero estas medidas técnicas deben sacrificar la densidad de energía de la batería.

Es decir, fundamentalmente, es imposible que una celda de batería de litio tenga tanto una alta densidad de energía como una alta densidad de potencia. Por ejemplo, el rendimiento de la tasa de núcleo de la celda AHR32113 de A123 es muy bueno, la densidad de potencia puede ser tan alta como 2.7KW / Kg en las condiciones de prueba de tasa ultra alta de 40C, pero su densidad de energía es de solo 70Wh / Kg. Por ejemplo, la densidad de energía de la celda de paquete blando de i-Phone7 ha alcanzado los 250Wh / Kg, pero su rendimiento de velocidad es relativamente pobre y solo se puede cargar y descargar a una velocidad baja por debajo de 0.5C.

Pero lo que quiero enfatizar aquí es que las celdas de combustible pueden combinar fácilmente características de alta energía y alta potencia, lo que está determinado por su principio de funcionamiento abierto único. La pila PEMFC es un lugar donde ocurre la electroquímica. Su proceso de reacción electrocatalítico heterogéneo único permite una alta densidad de corriente de intercambio en la superficie del catalizador de Pt / C, ya sea oxidación electroquímica de hidrógeno o reducción electroquímica de oxígeno.

De hecho, la pila PEMFC actual de Toyota y GM, en condiciones de funcionamiento reales (celda única 0,6-0,7 V), la densidad de corriente generalmente está cerca del nivel de 1A / cm2, que es una relación de 1C que la batería de potencia LFP ampliamente utilizada. en China. La densidad de corriente es aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor.

El sistema PEMFC de Toyota Mirai tiene una densidad de energía de más de 350Wh / Kg y una densidad de potencia de 2.0kW / Kg. En contraste, 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, que es un orden de magnitud menor que Mirai. La pila PEMFC se ensambla mediante una sola celda de acuerdo con un filtro prensa, y su potencia se puede aumentar aumentando el número de celdas (relación no lineal). La densidad de energía de PEMFC depende de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno del sistema de almacenamiento de hidrógeno y también se puede mejorar aumentando el volumen o la cantidad del tanque de almacenamiento de hidrógeno.

Es decir, el sistema PEMFC puede tener tanto una alta densidad de energía como una alta densidad de potencia, y esta característica es imposible para cualquier batería secundaria. La razón fundamental es la diferencia esencial entre el sistema cerrado y el modo de trabajo abierto. Al mismo tiempo, las características de alta energía y alta potencia son precisamente los requisitos técnicos más básicos de los automóviles modernos para sistemas de energía.

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