De redenen waarom lithium-ionbatterijen niet snel kunnen worden opgeladen

Voor puur elektrische voertuigen met lithium-ionbatterijen zijn oplaadproblemen nog steeds een groot probleem, dus "snel opladen" is voor veel fabrikanten een gimmick geworden. Naar mijn persoonlijke mening moet het snellaadprobleem van lithiumbatterijen op twee niveaus worden geanalyseerd.

Vanuit het perspectief van de batterijcel worden de snelheidsprestaties van lithium-ionbatterijen beperkt door de intrinsieke transmissiekarakteristieken van het materiaalcombinatiesysteem voor positieve elektrode/elektrolyt/negatieve elektrode, en aan de andere kant ook door het elektrodeproces en het ontwerp van de celstructuur. hebben een aanzienlijke invloed op de tariefprestaties.
In termen van de meest intrinsieke dragergeleiding en transportgedrag zijn lithiumbatterijen echter niet geschikt voor snelladen. Het intrinsieke dragergeleidings- en transportgedrag van een lithiumbatterijsysteem hangt af van verschillende belangrijke factoren, waaronder de geleidbaarheid van de positieve en negatieve elektrodematerialen, de diffusiecoëfficiënt van lithiumionen en de geleidbaarheid van de organische elektrolyt. Gebaseerd op het ingebedde reactiemechanisme, de diffusiecoëfficiënt van lithiumionen in positieve elektrodematerialen (olivijn in eendimensionale ionkanalen, gelaagde materialen in tweedimensionale kanalen en spinel-positieve elektrodematerialen in driedimensionale kanalen) en negatieve grafiet-negatieve elektrode elektrodematerialen (gelaagde structuren) zijn over het algemeen verschillende ordes van grootte lager dan de snelheidsconstante van heterogene redoxreacties in waterige secundaire batterijen.

 

 

Bovendien is de ionengeleidbaarheid van organische elektrolyten twee ordes van grootte lager dan die van waterige secundaire batterij-elektrolyten (sterke zuren of basen). Het negatieve elektrodeoppervlak van lithiumbatterijen heeft een laag SEI-film, en in feite worden de snelheidsprestaties van lithiumbatterijen grotendeels bepaald door de diffusie van lithiumionen in de SEI-film. Vanwege de veel ernstigere polarisatie van poederelektroden in organische elektrolyten vergeleken met waterige systemen, is het oppervlak van de negatieve elektrode gevoelig voor lithiumprecipitatie bij hoge vergroting of lage temperaturen, wat ernstige veiligheidsrisico's met zich meebrengt.
Bovendien is bij opladen met hoge snelheid het rooster van het positieve elektrodemateriaal gevoelig voor beschadiging, en kan de grafietlaag van de negatieve elektrode ook beschadigd raken. Deze factoren zullen het verval van de capaciteit versnellen, waardoor de levensduur van stroombatterijen ernstig wordt beïnvloed. Daarom bepalen de essentiële kenmerken van ingebedde reacties dat lithium-ionbatterijen niet geschikt zijn voor opladen met hoge snelheid. De onderzoeksresultaten hebben bevestigd dat de levensduur van individuele batterijen bij snel opladen en snel ontladen aanzienlijk zal afnemen, en dat de batterijprestaties aanzienlijk zullen verslechteren in de latere gebruiksfasen.

Sommige lezers vragen zich misschien af: kunnen lithiumtitanaatbatterijen met hoge snelheid worden opgeladen en ontladen?
De snelheidsprestaties van lithiumtitanaat kunnen worden verklaard door de kristalstructuur en de ionendiffusiecoëfficiënt. De energiedichtheid van lithiumtitanaatbatterijen is echter erg laag en het stroomverbruik wordt bereikt door de energiedichtheid op te offeren, wat leidt tot hoge energiekosten per eenheid van lithiumtitanaatbatterijen. De lage kosteneffectiviteit bepaalt dat lithiumtitanaatbatterijen niet de mainstream van de ontwikkeling van lithiumbatterijen kunnen worden. In feite heeft de trage verkooptrend van Toshiba SCiB-batterijen in Japan de afgelopen jaren het probleem al aangetoond.
Op celniveau kunnen de snelheidsprestaties worden verbeterd vanuit het perspectief van het elektrodeproces en het ontwerp van de celstructuur, zoals het dunner maken van de elektroden of het vergroten van het aandeel geleidende middelen, wat vaak gebruikte technische middelen zijn. Erger nog, sommige fabrikanten hebben hun toevlucht genomen tot extreme methoden, zoals het verwijderen van thermistors uit de batterijcellen en het dikker maken van de stroomcollector. Veel binnenlandse energiebatterijfabrikanten beschouwen de hoge gegevenssnelheid van hun LFP-batterij bij 30ºC of zelfs 50ºC zelfs als een technologisch hoogtepunt.
Waar de auteur hier op wil wijzen is dat het als testmethode begrijpelijk is, maar de sleutel is welke veranderingen er in de batterijcel hebben plaatsgevonden. Langdurig opladen en ontladen met hoge vergroting kan de structuur van de positieve en negatieve elektrodematerialen hebben beschadigd, en lithium is al uit de negatieve elektrode neergeslagen. Deze problemen vereisen het gebruik van enkele in-situ detectiemethoden (zoals SEM, XRD en neutronendiffractie) om opheldering te geven. Helaas zijn er vrijwel geen rapporten over de toepassing van deze in-situ detectiemethoden bij binnenlandse batterijbedrijven.
De auteur herinnert de lezers er ook aan om aandacht te besteden aan het verschil tussen de laad- en ontlaadprocessen van lithium-ionbatterijen. In tegenstelling tot het oplaadproces veroorzaken lithium-ionbatterijen niet zo ernstige schade aan de batterij wanneer ze sneller worden ontladen (bij extern werk) als snel opladen, wat vergelijkbaar is met andere secundaire batterijen op waterbasis. Voor het praktische gebruik van elektrische voertuigen is de vraag naar snelladen (snelladen) echter ongetwijfeld urgenter dan ontladen met hoge stroomsterkte.

Op het niveau van het accupakket zal de situatie complexer worden. Tijdens het laadproces zijn de laadspanning en -stroom van verschillende afzonderlijke accu's niet consistent, waardoor de oplaadtijd van de vermogensaccu onvermijdelijk groter zal zijn dan die van de individuele accu. Dit betekent dat hoewel conventionele oplaadtechnologie ook een enkele batterij in 30 minuten tot de helft van zijn capaciteit kan opladen, het batterijpakket deze tijd zeker zal overschrijden, wat tot op zekere hoogte betekent dat de voordelen van snellaadtechnologie niet erg voor de hand liggen.
Bovendien is tijdens het gebruik (ontladen) van lithium-ionbatterijen het verbruik van hun capaciteit niet lineair gerelateerd aan de ontlaadtijd, maar neemt het in de loop van de tijd snel af. Als een bepaalde elektrische auto bijvoorbeeld een volledig opgeladen rijbereik heeft van 200 kilometer, dan kan de accu, nadat hij normaal 100 kilometer heeft gereden, nog steeds 80% van zijn capaciteit hebben. Wanneer de batterijcapaciteit op 50% blijft, kan de elektrische auto mogelijk nog maar 50 kilometer afleggen.
Het kenmerk van lithium-ionbatterijen vertelt ons dat het opladen van slechts de helft of 80% van het vermogen van de batterij volstrekt onvoldoende is om aan de werkelijke gebruiksbehoeften van elektrische voertuigen te voldoen. De wijdverbreid gepromote snellaadtechnologie van Tesla is naar mijn mening bijvoorbeeld eerder een gimmick dan een praktische. Bovendien zal snel opladen de levensduur en prestaties van de batterij ernstig verslechteren en veiligheidsrisico's met zich meebrengen.
Omdat lithiumbatterijen niet inherent geschikt zijn voor snel opladen, kan de batterijwisselmodus theoretisch hun tekortkomingen op het gebied van snel opladen compenseren. Hoewel het ontwerpen van de accu als een plug-in-type structurele sterkteproblemen en elektrische isolatieproblemen voor het hele voertuig kan veroorzaken, evenals superuitdagingen op het gebied van accunormen en excuses, ben ik persoonlijk van mening dat deze modus een technisch haalbare oplossing is (alleen op technisch niveau) om het probleem van het snel opladen van lithium-ionbatterijen op te lossen.
Volgens de auteur is de reden waarom het ‘batterijverhuur+batterijwisselmodel’ op wereldschaal geen succesvol precedent kent, niet alleen te wijten aan consumentengewoonten (autobezitters geloven dat batterijen, net als auto’s, hun privé-eigendom zijn), maar ook vanwege de enorme verdeling van voordelen die verborgen liggen achter technische normen. In sterk marktgerichte westerse landen is de moeilijkheid om dit probleem op te lossen veel groter dan in China. Naar mijn persoonlijke mening kan de batterijwisselmodus in de toekomst een aanzienlijk ontwikkelingspotentieel hebben op gebieden waar puur elektrische voertuigen, zoals bussen en taxi's, voornamelijk in China worden gebruikt.