Pin Lithium sạc nhanh

Mượn hình này để minh họa quá trình sạc pin, abscissa là thời gian và ordinate là điện áp. Sẽ có một quá trình sạc trước dòng điện nhỏ khi bắt đầu sạc pin lithium, đó là sạc trước CC, mục đích là để ổn định vật liệu âm và dương. Sau đó, sau khi trạng thái pin ổn định, nó có thể được điều chỉnh để sạc dòng điện cao, tức là CC Fast Charge. Cuối cùng, vào chế độ sạc điện áp không đổi (CV). Đối với pin lithium, hệ thống bắt đầu chế độ sạc điện áp không đổi sau khi phát hiện điện áp đạt 4,2V, dòng sạc giảm dần và quá trình sạc kết thúc khi nó nhỏ hơn một giá trị nhất định.

Trong toàn bộ quá trình, các loại pin khác nhau có dòng sạc tiêu chuẩn khác nhau. Ví dụ: tiêu chuẩn pin cho các sản phẩm 3C thường là 0,1C-0,5C và đối với pin nguồn công suất cao, tiêu chuẩn sạc thường là 1C. Việc chọn dòng sạc thấp hơn cũng xem xét sự an toàn của pin. Do đó, sạc nhanh thông thường dùng để chỉ dòng sạc cao hơn dòng sạc tiêu chuẩn từ vài lần đến hàng chục lần.

Một số người nói rằng sạc pin lithium giống như đổ bia.' nhanh và đầy bia, nhưng có nhiều bọt. Đổ chậm và chậm, nhưng rất nhiều bia, rất thật. Trong khi sạc nhanh giúp tiết kiệm thời gian sạc, nó cũng sẽ gây ra thiệt hại lớn hơn cho chính pin. Do hiện tượng phân cực trong pin, dòng điện nạp tối đa mà nó có thể chấp nhận sẽ giảm khi chu kỳ sạc và phóng điện tăng lên. Khi tiếp tục tích điện và dòng điện tích lớn, nồng độ ion ở điện cực sẽ tăng, và độ phân cực tăng. Điện áp đầu cuối không thể tỷ lệ thuận tuyến tính với công suất / năng lượng được sạc. Đồng thời, khi sạc với dòng điện cao, sự gia tăng nội trở sẽ làm tăng hiệu ứng đốt nóng Joule (Q=I2Rt), và gây ra các phản ứng phụ, chẳng hạn như phản ứng phân hủy chất điện phân, sinh khí và một loạt các vấn đề. Hệ số rủi ro tăng đột ngột sẽ ảnh hưởng đến độ an toàn của ắc quy. Ảnh hưởng, tuổi thọ của những viên pin không dùng điện chắc chắn sẽ bị rút ngắn đi rất nhiều.

01 vật liệu cathode

Quá trình sạc nhanh pin lithium là quá trình di chuyển nhanh chóng của Li + trong vật liệu điện cực dương sang điện cực âm. Kích thước hạt của vật liệu làm điện cực dương có thể ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng của quá trình điện hóa pin, đường khuếch tán của các ion, ... Theo nghiên cứu, khi kích thước hạt của vật liệu giảm, hệ số khuếch tán của ion liti tăng lên. Tuy nhiên, khi kích thước hạt của vật liệu giảm, sẽ có sự kết tụ hạt nghiêm trọng trong quá trình sản xuất bột giấy, dẫn đến sự phân tán không đồng đều. Đồng thời, các hạt nano sẽ làm giảm mật độ nén chặt của các miếng cực và tiếp xúc với chất điện phân trong quá trình tích điện và phóng điện. Diện tích tăng lên và các phản ứng phụ ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.

Một phương pháp đáng tin cậy hơn là phủ và sửa đổi vật liệu điện cực dương. Ví dụ, độ dẫn điện của bản thân LFP không tốt lắm. Sau khi bề mặt được phủ bằng vật liệu carbon hoặc các vật liệu khác, độ dẫn điện của nó có thể được cải thiện, điều này có lợi để cải thiện khả năng sạc nhanh của pin. hiệu suất.

02 vật liệu Anode

Sạc nhanh pin lithium có nghĩa là các ion lithium nhanh chóng được chiết xuất và" bơi" đến điện cực âm. Lúc này vật liệu làm điện cực âm cần có khả năng chèn liti nhanh chóng. Vật liệu cực dương được sử dụng để sạc nhanh pin lithium bao gồm vật liệu carbon, lithium titanate và các vật liệu mới khác.

Đối với vật liệu carbon, vì khả năng chèn lithium tương tự như khả năng kết tủa lithium, trong trường hợp sạc thông thường, các ion lithium thường được ưu tiên đưa vào graphite, nhưng trong điều kiện sạc nhanh hoặc nhiệt độ thấp, các ion lithium có thể kết tủa trên bề mặt tạo thành các tua gai. Dendrite lithium xuyên qua SEI, gây mất Li + thứ cấp và giảm dung lượng pin. Khi kim loại liti đạt đến một lượng nhất định, nó sẽ phát triển từ điện cực âm đến dải phân cách, gây ra nguy cơ chập mạch cho pin.

Đối với LTO, nó là" 0 biến dạng" vật liệu điện cực âm chứa oxy, không tạo ra SEI khi pin hoạt động và có khả năng liên kết mạnh hơn với các ion lithium, có thể đáp ứng yêu cầu sạc nhanh và phóng điện nhanh. Đồng thời, chính vì không hình thành được SEI nên vật liệu làm điện cực âm sẽ tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân, điều này thúc đẩy phản ứng phụ xảy ra. Vấn đề sản xuất khí của pin LTO không thể được giải quyết trong một thời gian dài và chỉ có thể được giải quyết bằng cách sửa đổi bề mặt.

03 Dung dịch điện cực

Như đã đề cập trước đó, do tốc độ di chuyển ion lithium và tốc độ truyền electron trong quá trình sạc nhanh không nhất quán, pin sẽ có độ phân cực lớn hơn. Vì vậy, để giảm thiểu phản ứng âm do phân cực của pin, ba điểm sau sẽ là hướng nghiên cứu và phát triển chất điện ly: 1. Muối điện ly có độ phân ly cao; 2. Dung môi tái kết hợp-độ nhớt thấp hơn; 3. Giao diện điều khiển màng trở kháng Thấp hơn.

04 Mối quan hệ giữa công nghệ sản xuất và sạc nhanh

Trước đây, các yêu cầu và tác dụng của sạc nhanh được phân tích từ ba vật liệu chính, chẳng hạn như vật liệu điện cực dương và âm và chất lỏng điện cực. Sau đây là một thiết kế quy trình có tác động tương đối lớn. Các thông số quy trình sản xuất pin ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống di chuyển của các ion lithium trong các bộ phận khác nhau của pin trước và sau khi pin được kích hoạt, vì vậy các thông số quy trình sản xuất pin có tác động quan trọng đến hiệu suất của pin lithium ion.

(1) Bùn

Về đặc tính của bùn, một khía cạnh là duy trì sự phân tán đồng đều của chất dẫn điện. Vì chất dẫn điện được phân bố đều giữa các hạt vật liệu hoạt động, một mạng lưới dẫn điện tương đối đồng đều có thể được hình thành giữa các vật liệu hoạt động và giữa vật liệu hoạt động và bộ thu dòng điện, có chức năng thu dòng điện vi mô, giảm điện trở tiếp xúc và tăng tốc độ của các electron. . Khía cạnh khác là ngăn chặn sự phân tán quá mức của chất dẫn điện. Trong quá trình tích điện và phóng điện, cấu trúc tinh thể của vật liệu âm và dương sẽ thay đổi, có thể làm bong tróc chất dẫn điện, làm tăng nội trở của pin và ảnh hưởng đến hiệu suất.

(2) Mật độ khu vực cực

Về lý thuyết, pin loại tỷ lệ và pin dung lượng cao không thể có cả hai. Khi mật độ bề mặt của các miếng cực dương và cực âm thấp, tốc độ khuếch tán của các ion liti có thể được tăng lên, và có thể giảm sức cản của sự di chuyển của ion và điện tử. Mật độ hạt càng thấp, miếng cực càng mỏng và sự thay đổi cấu trúc của miếng cực càng nhỏ do sự chèn và chiết xuất liên tục của các ion lithium trong quá trình sạc và xả. Tuy nhiên, nếu mật độ areal quá thấp, mật độ năng lượng của pin sẽ bị giảm và giá thành sẽ tăng lên, vì vậy cần phải xem xét toàn diện về mật độ areal. Hình sau là một ví dụ về sạc 6C và xả 1C của pin lithium coban oxit, bạn có thể thấy:

(3) Tính nhất quán của lớp phủ cực

Một người bạn hỏi trước đây, mật độ bề mặt không đồng nhất của các cực có ảnh hưởng đến pin không? Nhân tiện, đối với hiệu suất sạc nhanh, chủ yếu là sự nhất quán của miếng cực âm. Nếu mật độ bề mặt của điện cực âm không nhất quán, sau khi cán, độ xốp bên trong của vật liệu hoạt động sẽ khá khác nhau. Sự khác biệt về độ xốp sẽ gây ra sự khác biệt trong phân bố dòng điện bên trong, ảnh hưởng đến sự hình thành và hiệu suất của SEI trong giai đoạn hình thành pin và cuối cùng là ảnh hưởng đến hiệu suất sạc nhanh của pin.

(4) Mật độ nén của mảnh cực

Tại sao phải nén chặt miếng cực? Một là để tăng năng lượng cụ thể của pin, và hai là cải thiện hiệu suất của pin. Các vật liệu điện cực khác nhau có mật độ đầm nén tối ưu khác nhau. Tăng mật độ nén, độ xốp của miếng cực điện cực càng nhỏ, liên kết giữa các hạt càng chặt chẽ và độ dày của miếng cực nhỏ hơn dưới cùng mật độ hạt, do đó làm giảm đường di chuyển của các ion liti. Khi mật độ đầm nén quá cao, hiệu quả thẩm thấu chất điện phân không tốt, có thể làm hỏng cấu trúc vật liệu và sự phân bố tác nhân dẫn điện, và các vấn đề về cuộn dây sẽ xảy ra sau này. Tương tự là phí 6C của pin lithium coban oxit xả 1C, tác động của mật độ nén lên dung lượng cụ thể xả như sau:

05 Lão hóa hóa học và những chất khác

Đối với pin cực dương cacbon, quá trình hình thành-lão hóa là quá trình quan trọng đối với pin lithium và quá trình này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của SEI. Độ dày không đồng đều hoặc cấu trúc không ổn định của SEI sẽ ảnh hưởng đến khả năng sạc nhanh và tuổi thọ chu kỳ của pin.

Ngoài một số yếu tố quan trọng trên, việc sản xuất cell và hệ thống sạc, xả sẽ có tác động lớn hơn đến hiệu suất của pin lithium. Khi thời gian sử dụng kéo dài, tốc độ sạc pin nên giảm vừa phải, nếu không sẽ làm tăng độ phân cực.

Phần kết luận

Bản chất của việc sạc và xả pin lithium nhanh chóng là các ion lithium có thể được tách ra nhanh chóng giữa các vật liệu tích cực và tiêu cực. Đặc tính vật liệu pin, thiết kế quy trình và hệ thống sạc và xả đều sẽ có tác động đến hiệu suất sạc cao hiện tại. Sự ổn định cấu trúc của vật liệu điện cực âm và dương sẽ không gây ra sự sụp đổ cấu trúc trong quá trình loại bỏ lithium nhanh chóng, và các ion lithium khuếch tán nhanh hơn trong vật liệu để chịu được sạc dòng điện cao. Do sự không phù hợp giữa tốc độ di chuyển của ion và tốc độ truyền điện tử, sự phân cực sẽ xảy ra trong quá trình nạp và phóng điện. Cần giảm độ phân cực càng nhiều càng tốt để ngăn chặn sự kết tủa của kim loại liti và giảm dung lượng ảnh hưởng đến tuổi thọ.