¿Qué factores limitarán el rendimiento de la tasa de carga y descarga de las baterías de iones de litio?

La tasa de carga-descarga de una batería de iones de litio determina qué tan rápido podemos almacenar una cierta cantidad de energía en la batería, o qué tan rápido se libera la energía dentro de la batería. Por supuesto, este proceso de almacenamiento y liberación es controlable y seguro, sin afectar significativamente la vida útil de la batería y otras métricas de rendimiento.

Los indicadores de aumento son particularmente importantes cuando las baterías se utilizan como herramientas eléctricas, especialmente para vehículos energéticos. Imagina si conduces un auto eléctrico para hacer cosas, a medio camino encuentras que no hay luz, encuentras una estación de carga para cargar, la carga por una hora no está llena, se estima que todo por hacer se demora. O su automóvil eléctrico está subiendo una pendiente empinada. No importa cómo pise el acelerador (puerta eléctrica), el automóvil es lento como una tortuga, por lo que no puede esperar.

Obviamente, estas escenas son cosas que no queremos ver, pero son el estado actual de las baterías de iones de litio. Se tarda mucho en cargar y la descarga no debe ser demasiado fuerte. De lo contrario, la batería envejecerá pronto e incluso puede tener problemas de seguridad. Pero en muchas aplicaciones, todos necesitamos que la batería tenga una alta tasa de carga y rendimiento de descarga, por lo que estamos atrapados en la "batería" nuevamente. Para lograr un mejor desarrollo de las baterías de iones de litio, es necesario averiguar qué factores limitan el rendimiento de la batería.

El rendimiento de la tasa de carga-descarga de las baterías de iones de litio está directamente relacionado con la capacidad de migración de los iones de litio entre los electrodos positivo y negativo, el electrolito y la interfaz entre ellos. Todos los factores que afectan la velocidad de migración de los iones de litio (estos factores de influencia también pueden ser equivalentes a las baterías). La resistencia interna) afectará el rendimiento de la tasa de carga y descarga de la batería de iones de litio. Además, la tasa de disipación de calor interno de la batería también es un factor importante que afecta el rendimiento de la tasa. Si la tasa de disipación de calor es lenta, el calor acumulado durante la carga y descarga a gran velocidad no se puede transmitir, lo que afectará seriamente la seguridad y la vida útil de la batería de iones de litio. Por lo tanto, la investigación y la mejora del rendimiento de la tasa de carga-descarga de las baterías de iones de litio provienen principalmente de los aspectos de 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 desintercalan y se incrustan dentro del material activo positivo / negativo, es decir, la velocidad a la que los iones de litio se agotan del material activo positivo / negativo, o desde la superficie positiva / negativa hacia el interior del activo. material para encontrar una posición para "asentarse" ¿Qué tan rápido es la velocidad, que es un factor importante que afecta la tasa de carga y descarga.

Por ejemplo, hay muchos maratones en el mundo cada año. Aunque todos comienzan al mismo tiempo, el ancho de la vía es limitado, pero hay muchas personas involucradas (a veces hasta decenas de miles), lo que provoca un hacinamiento mutuo y el cuerpo de los participantes. La calidad es desigual y el equipo eventualmente se convertirá en una batalla extra larga. Alguien llegó rápidamente al final, algunas personas llegaron tarde por algunas horas, algunas personas corrieron hasta el desmayo y dejaron de comer a la mitad.

La difusión y el movimiento de los iones de litio en los polos positivo / negativo es básicamente el mismo que el del maratón. Corren más lento y más rápido, y la longitud de los caminos que eligen varía, lo que restringe seriamente el final del juego (todos lo corren). Entonces, no queremos correr un maratón, pero es mejor que todos corran 100 metros. La distancia es lo suficientemente corta. Todos pueden llegar al final rápidamente. Además, la pista debe ser lo suficientemente ancha, no se amontonan entre sí y las carreteras no deben estar torcidas ni torcidas. La línea recta es la mejor para reducir la dificultad del juego. De esta forma, el árbitro hizo sonar fuerte, y los miles de caballos y caballos se apresuraron hasta el final. El juego terminó rápidamente y la tasa de rendimiento fue excelente.

En el material del electrodo positivo, queremos que la pieza polar sea lo suficientemente delgada, es decir, el grosor del material activo es pequeño, lo que equivale a acortar la distancia de carrera, por lo que es deseable aumentar la densidad de compactación del electrodo positivo. material tanto como sea posible. Dentro del material activo, debe haber suficiente espacio libre para dejar el paso de los iones de litio. Al mismo tiempo, la distribución de estas "pistas" debería ser uniforme. Debería haber algunos lugares y otros no. Esto es para optimizar la estructura del material del electrodo positivo. Cambie la distancia y la estructura entre las partículas para lograr una distribución uniforme. Los dos puntos anteriores son realmente contradictorios, aumentando la densidad de compactación. Aunque el grosor es más delgado, el espacio de partículas se hará más pequeño y la pista parecerá abarrotada. Por el contrario, mantener un cierto espacio entre partículas no conduce a que el material sea más delgado. Por lo tanto, debe encontrar un punto de equilibrio para lograr la mejor tasa de migración de iones de litio.

Además, los materiales de los electrodos positivos de diferentes materiales tienen una influencia significativa en el coeficiente de difusión de los iones de litio. Por lo tanto, la selección de un material de electrodo positivo con un coeficiente de difusión de iones de litio relativamente alto también es una dirección importante para mejorar el rendimiento de la velocidad.

La idea de tratamiento del material del ánodo es similar a la del material del cátodo, y comienza principalmente por la estructura, el tamaño y el grosor del material, reduce la diferencia de concentración de iones de litio en el material del ánodo y mejora la capacidad de difusión del litio. iones en el material del ánodo. 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 del electrolito.

Los iones de litio juegan en los materiales positivos / negativos, y el juego en el electrolito es nadar.

En las competiciones de natación, cómo reducir la resistencia del agua (electrolito) es la clave para mejorar la velocidad. En los últimos años, los nadadores generalmente han usado trajes de tiburón, que pueden reducir en gran medida la resistencia de la formación de 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 deben moverse de un lado a otro entre los electrodos positivo y negativo. Al igual que nadar en la "piscina" compuesta de electrolito y caja de batería, la conductividad iónica del electrolito es la misma que la resistencia del agua. La velocidad de natación de los iones de litio tiene una gran influencia. En la actualidad, el electrolito orgánico utilizado en las baterías de iones de litio, ya sea un electrolito líquido o un electrolito sólido, tiene una conductividad iónica baja. La resistencia del electrolito se convierte en una parte importante de la resistencia general de la batería, y no se puede ignorar la influencia en el rendimiento de alta velocidad de la batería de iones de litio.

Además de aumentar la conductividad iónica del electrolito, también es importante centrarse en la estabilidad química y térmica del electrolito. Cuando se carga y descarga a gran velocidad, la ventana electroquímica de la batería varía ampliamente. Si la estabilidad química del electrolito no es buena, es fácil de oxidar y descomponer en la superficie del material del electrodo positivo, lo que afecta la conductividad iónica del electrolito. La estabilidad térmica del electrolito tiene una gran influencia 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 descompone por el calor, lo que representa un peligro oculto para la seguridad de la batería en por un lado, y algo de gas en la superficie del electrodo negativo por el otro. La membrana SEI produce un efecto destructivo que afecta el rendimiento de su ciclo.

Por lo tanto, seleccionar un electrolito con alta conductividad de iones de litio, buena estabilidad química y estabilidad térmica, y hacer coincidir con el material del electrodo es una dirección importante para mejorar el rendimiento de velocidad de la batería de iones de litio.

3. Reducir la resistencia interna de la batería

Esto implica la interfaz entre varias sustancias y sustancias diferentes, los valores de resistencia que forman, pero todos tienen un efecto sobre la conducción de iones / electrones.

Generalmente, se agrega un agente conductor al interior del material activo del electrodo positivo, reduciendo así la resistencia de contacto entre los materiales activos, el material activo y el sustrato del electrodo positivo / colector de corriente, mejorando la conductividad eléctrica (conductividad de iones y electrones) de el material del electrodo positivo y mejorar el rendimiento de la velocidad. Los agentes conductores con diferentes formas y diferentes materiales afectarán la resistencia interna de la batería, lo que afectará su rendimiento de velocidad.

El colector de corriente (oreja polar) de los electrodos positivo y negativo es un portador para transferir energía eléctrica entre la batería de iones de litio y el exterior, y el valor de resistencia del colector de corriente también tiene una gran influencia en el rendimiento de la batería. Por lo tanto, al cambiar el material, el tamaño, el método de extracción, el proceso de conexión, etc. del colector de corriente, se puede mejorar el rendimiento de la tasa y el ciclo de vida de la batería de iones de litio.

El grado de infiltración del electrolito con los materiales positivos y negativos afecta la resistencia de contacto en la interfaz entre el electrolito y el electrodo, afectando así el rendimiento de la batería. La cantidad total de electrolito, viscosidad, contenido de impurezas, poros de materiales positivos y negativos, etc., cambiará la resistencia de contacto entre el electrolito y el electrodo, que es una importante dirección de investigación para mejorar el rendimiento de la velocidad.

Durante el primer ciclo de la batería de iones de litio, a medida que los iones de litio se incrustan en el electrodo negativo, se forma una película de electrolito sólido (SEI) en el electrodo negativo. Aunque la película SEI tiene una buena conductividad iónica, aún difunde iones de litio. Existe un cierto obstáculo, especialmente cuando se carga y descarga a gran velocidad. A medida que aumenta el número de ciclos, la película SEI se caerá, se despegará y se depositará continuamente en la superficie del electrodo negativo, lo que dará como resultado un aumento en la resistencia interna del electrodo negativo, que se convierte en un factor que afecta el rendimiento de la velocidad del ciclo . Por lo tanto, controlar la variación de la película SEI también puede mejorar el rendimiento de la tasa durante el ciclo a largo plazo de la batería de iones de litio.

Además, la tasa de absorción de líquido y la porosidad del separador también tienen una gran influencia en el paso de los iones de litio y también afectan el rendimiento de la tasa (relativamente pequeña) de la batería de iones de litio hasta cierto punto.

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