リチウムイオン電池の性能を向上させる方法

パワーリチウムイオン電池の場合、私たちが焦点を当てている最も重要な指標は、エネルギー密度とパワー密度です。エネルギー密度は車両の航続距離に関係し、電力密度は電気自動車の動的性能に関係します。リチウムイオン電池の性能を向上させる方法設計者は独自の洞察を持っています。リチウムイオン電池の性能を向上させるための私のアイデアのいくつかについてお話します。意味のあるものになりたいです。

1.材料の選択

一般的に言って、パワーバッテリーレート性能の改善は主に材料の選択に基づいています。たとえば、「イオン伝導、電子伝導の愚かさは不明ですか？ここにあることを知りたい！」という記事がありました。ニッケル三元材料と従来のコバルト酸リチウム材料のイオンおよび電子伝導率は、20°Cで、LCO材料の電子伝導率はわずか5x10-8S / cmですが、NCM111材料の電子伝導率は最大2.2x10-6S /です。 cm、ニッケル含有量のさらなる増加に伴い、三元材料の電子伝導率も大幅に改善されます。 NCM8111材料の電子伝導率は4.1x10-3S / cmであり、イオン伝導率も示されています。同じ傾向で、LCO材料のイオン伝導率は20°Cでわずか2.3x10-7S / cmですが、NCM111材料のイオン伝導率は3.2x10-6S / cmであり、NCM532は1.7x10-3S / cmです。 、およびNCM622は3.4x10です。 -3S / cm、NCM811材料は最大6.3x10-3S / cmであるため、電子伝導性またはイオン伝導性のいずれの場合でも、三元材料、特に高ニッケル三元材料またはNCA材料が拡大タイプに適しています。もちろん、リチウムイオン電池は、材料に加えて、外側のこれらの固有の特性、材料の小さな粒子などの複数の要因の形態によっても影響を受けるレート能力、より大きな表面積、Li +拡散距離は粒子の内部、したがって理論的にはより良いレート能力。

中間相の小さな粒子を含むグラファイト粒子など、レート性能において優れた性能を有する多くの種類のアノード材料があります。 SRSivakkumar、JYNerkar、AGPandolfoエネルギー技術部連邦科学産業研究機構（CSIRO）さまざまなタイプとサイズのグラファイト材料の評価は、グラファイト材料の粒子サイズが小さいほど、レート性能が高く、グラファイト表面が減少することを示しています。コーティングの厚さは、グラファイトアノードのレート性能も向上させることができます。しかしながら、粒子サイズの減少はまた、可逆容量の減少および圧縮密度の減少などの一連の問題をもたらす。同時に、研究はまた、上記の手段はグラファイトアノードの放電速度性能を改善することができるが、グラファイトアノードの充電速度性能を効果的に改善することは困難であることを示している。

Li4Ti5O12材料自体は、Li +拡散係数が高く（10-16-10-15m2 / S）[2]、チタン酸リチウム電池材料は、導電率が低いため、ナノサイズの粒子になることがよくあります。が増加し、Li +の拡散距離が減少します。チタン酸リチウム電池は優れたレート性能を持ち、急速充電を実現できるため、董明珠はインロングに興味を持っていますが、チタン酸リチウム材料の電圧プラットフォームです。 1.55Vの場合、理論上の可逆容量は170mAh / gであるため、バッテリーの比エネルギーが低くなり、電気自動車の航続距離に深刻な影響を及ぼします。これは、インロングの最近の危機の根本的な原因でもあります。チェンも蕭何であり、蕭何も敗北したと言われています。チタン酸リチウムのこれらの問題を、その高速性能の利点を維持しながら解決するために、研究者は、材料の可逆容量、日本の東芝が開発したネオジム酸化チタン化合物NTOの新しいアノード材料に多大な努力を払ってきました。最大341mAh / gはLTO材料よりもはるかに高く、グラファイト材料に近いですが、高圧固体密度の利点により、体積エネルギー密度はグラファイトアノードの2倍に達し、材料は急速充電の特性を保持します。 0％SoCから90％SoCへの充電は最短で6分しかかからず、電気自動車のニーズをほぼ正確に満たします。現在、東芝は双日とブラジルの鉱業会社CBMMと共同で材料を開発し、生産するための協力協定を発表しました。

ケンブリッジ大学は、世界トップクラスの大学として、大容量、高倍率、高性能のリチウムイオン電池アノード材料の開発にも取り組んでいます。 Natureに掲載された最近の記事で、KentJ。グリフィスはケンブリッジ大学からの最新の研究を紹介しました。結果：Nb16W5O55およびNb18W16O93材料、これら2つの材料の可逆容量はC / 5レートで200mAh / gを超え、両方の材料のLi +の拡散係数は10-13-10-12m2 / Sに達し、LTOよりはるかに高い（10-16-10-15m2 / S）材料であるため、ミクロンサイズの粒子サイズで優れたレート性能を実現できます。より大きな粒子は、活物質/電解質界面面積を減少させるだけでなく、副反応の発生も減少させます。材料の圧縮密度が大幅に向上するため、2つの材料は単位体積容量の点で非常に優れた性能を発揮し、すべての負極材料が圧延されます。

2.式の最適化

リチウムイオン電池の性能を決定するもう1つの鍵は、電池の設計です。リチウムイオン電池の内部には、「イオン伝導」と「電子伝導」の2種類の伝導形態があります。イオン伝導は主に電解質中のLi +、電極の内部細孔、活物質の内部拡散を含み、電子伝導は主に活物質粒子間の伝導であり、電子伝導はさらに「短い-例えば、「範囲伝導」および「長距離伝導」は、カーボンブラックに代表される導電剤が主に炭素繊維に代表される短距離導電性導電剤に関与し、カーボンナノチューブが主に長距離伝導に関与する。リチウムイオン電池のレート性能は、いくつかの導電性形態の包括的な兆候です。サマンサL.モレリーらによる研究。米国のドレクセル大学の研究者は、リチウムイオン電池のレート性能に影響を与える鍵は、私たちが通常「イオン拡散」と考えるものではないことを示しました。このプロセスは、電子伝導性にさらに依存しています。たとえば、カーボンブラックが3％の電極の性能率は、2.5％の性能率よりも大幅に優れていますが、「イオン輸送」制限の理論によれば、カーボンブラックが多いほど、Li +拡散チャネルが曲がりくねって速度が低下します。リチウムイオン電池の性能。同時に、この研究は、NCM粒子の表面に吸着されたカーボンブラックによって提供される短距離伝導率が、長距離伝導率が大きい場合と比較して、リチウムイオン電池のレート性能を改善できることを示しています。

単純に高レートのパフォーマンスを達成することは難しくありません。レート性能とエネルギー密度のバランスを取ることは困難です。一般的に言って、比率性能とエネルギー密度は矛盾しています。両者のバランスを見つけるのは非常に困難です。キス和明他日本では東京農工大学の異なるコーティング厚のNCM電極のインピーダンスを分析し、密度を圧縮することによって厚さや締固め密度（70umおよび2.9グラム/ cmの³）を塗布の最適な組み合わせを得ました。圧縮密度が高すぎると、電極の気孔率が急激に低下し、イオン拡散抵抗が増加し、圧縮密度が低いと接触抵抗が増加します。したがって、適切な圧縮密度のみが、リチウムイオン電池の優れた乗算器性能を保証し、高エネルギー密度の特性も考慮に入れることができます。

3.バッテリー構造の選択

レートバッテリーの放電中の温度をどのように制御するかも非常に重要な問題です。大電流放電の過程で、リチウムイオン電池は大量の熱を発生します。リチウムイオン電池内部に熱が蓄積すると、温度が上昇します。温度勾配が大きいため、リチウムイオン電池の内部減衰に一貫性がなく、リチウムイオン電池の寿命に影響を与えます。適切な構造をどのように選択するかがより重要になります。二次元形状の電気的および熱的分極モデルとリチウムイオン電池の大きなサイズの熱特性のためのリチウムイオン電池の極耳の位置によって、耳の幅と流体の厚さの設定の影響が放電過程の温度分布におけるリチウムイオン電池の場合、極耳が狭いほど、不均一性内の電池セット流体温度分布が薄くなり、電池端子の電池極耳が効果的に減少できることもわかった。バッテリーの内部温度が不均一になると放電します。

適切な材料、配合、構造を選択することにより、高速放電中のリチウムイオン電池の内部インピーダンスと分極を低減し、温度の不均一性を低減し、電池のレート性能を効果的に向上させることができます。レートパフォーマンスの改善は包括的なプロジェクトであり、複数の要因から検討する必要があります。私が紹介したのは、ほんの一滴の海です。いくつかの脱落や知識の脱落を避けるのは難しいです。あなたが私を訂正し、あなた自身の見解を提示することを願っています。

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