リチウムイオン電池の電気化学的平衡をどのように解決しますか？

バッテリーは一般に数百または数千のセルモノマーで構成されているため、バッテリー容量も個々のセルの影響を受けます。研究によると、1つのセルのサイクル寿命が1,000倍を超えていても、バッテリーを形成します。バッテリー使用後のバッテリー寿命は200倍未満になる場合があります。これは、バッテリーパックのバランスが非常に重要であることを示しています。

長い間、リチウムイオン電池モノマーの低濃度は、リチウムイオン電池の設計にとって難しい問題です。ここで、一貫性とは、容量や電圧などの従来のパラメータだけではありません。また、容量の低下率、内部抵抗の低下率、バッテリーの温度分布などの要素も含まれます。

理想的には、リチウムイオン電池の同じバッチが同じ電気化学的特性を持っている必要がありますが、実際には、製造プロセスのエラーのために、リチウムイオンモノマー電池間に不整合があります。バッテリーは、多くの場合、直列に接続された数百、さらには数千の個別のセルで構成されています。したがって、バッテリパックの容量は、個々のセルの不整合によって大きく影響されます（バッテリパックのパフォーマンスに最大の影響を与える不整合には、クーロン効率の不整合、自己放電率の不整合が含まれます。内部抵抗の不整合など）、単セルのサイクル寿命が1,000倍を超えても、バッテリパック形成後のバッテリ寿命は200倍未満となることが研究により示されています。

したがって、多数のモノマーセルで構成されるバッテリーパックの場合、平衡装置が必要です。リスト面での一般的な平衡法は、主に電子機器の助けを借りてモノマーセル間の電圧平衡を達成することであるため、技術も非常に似ています。ドイツのシュトゥットガルト大学のAlexanderU。Schmidは最近、Ni金属水素化物電池（NiMH）とNi-Zn電池を使用して電池の電気化学的平衡を達成し、電池バランスの新しいアイデアを提供しました。

リチウムイオン電池の動作原理には限界があるため、過充電に耐える能力は非常に弱いです。過充電の場合、電解質の分解とリチウム分析が発生する可能性があります。 NiMHバッテリーの過充電の場合、電解液中のH2Oは正極と負極によって生成されたO2とH2を分解し、O2とH2は触媒の作用下で再結合して水を形成し、完全なサイクルを形成します。 C / 3-C / 10の低倍率では、ガス発生率は再結合率とほぼ同じであるため、NiMHバッテリーは非常に優れた過充電耐性を備えています。上記の原則に基づいて、AlexanderU。シュミットは、リチウムイオン電池を均等化するために、NiMHセルおよび同様のNi-Znセルを使用しました。この電気化学的平衡法を使用する場合、従来の電圧監視および電子平衡ユニットを省略できます。これにより、バッテリー管理の複雑さが効果的に軽減され、バッテリーパックの信頼性が向上します。

AlexanderU.Schmidは、LiFePO4およびLi4TI5O12材料を実験対象として選択しました。これは、両方の材料が過充電に対して一定の耐性を持ち、完全に脱リチウム化された後、電圧が急速に上昇するためです。この時点で、NiMHおよびNi-Zn電池は電流Byassの役割を引き受け、過剰な電流はNiMHおよびNi-Zn電池に流れ込み、リチウムイオン電池の過充電を回避します。

動作原理は下図のとおりです。平衡型NiMHセルまたはNi-Znセルは、リチウムイオンセルに並列に接続されています。バッテリパック内の一連の低容量セルのグループが完全に充電されると、電圧はしきい値に達します。このとき、それと並行してNiMHバッテリーがシャントの役割を果たしました。すべての電流は基本的にNiMHバッテリーを流れ、リチウムイオンバッテリーを流れなくなり、リチウムイオンバッテリーの過充電を回避します。この過程でのリチウムイオン電池とNiMHの電圧と電流の変化を下図Bに示します。完全一致の場合、リチウムイオン電池の電流は赤い曲線で示されます。

AlexanderU.Schmidの作品は、バッテリーバランスの新しいアイデアを提供します。 NiMHセルとNiZnセルの設計特性により、過充電が発生すると、電解液中の水がそれぞれ正極と負極で分解し、O2とH2が生成されます。バッテリー内の触媒の作用により、O2はH2と結合して水を生成し、サイクルを完了するため、NiMHとNiZnは非常に優れた過充電防止特性を備えており、これを利用することができます。リチウムイオン電池と並列の単一または複数のタンデムNiMHおよびNiZn電池を使用すると、充電電圧が上限に達すると、電流がNiMHおよびNiZn電池にほぼ完全に流れるため、リチウムイオン電池の過充電が回避されます。これを使用して、リチウムイオン電池を均等化することもできます。一部のセルが過充電されることを心配せずに、バッテリーを充電し続ける限り、すべてのセルを完全に充電できるため、バッテリーの内部容量の一貫性が向上します。実験では、充電と放電のサイクルで8％の容量平衡（LFP / C -2 NiZn）を達成できることも確認されました。この方法の最大の利点は、バッテリーパック内の個々のセルの電圧監視がプロセス全体で必要とされないことです。完全自動化されているため、バッテリーパックの構造が大幅に簡素化され、バッテリーパックの信頼性が向上します。

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