急速充電のための高性能リチウムイオン電池の設計

「いつの日か、急速充電、高比エネルギー、長寿命の両方を備えたリチウムイオン電池を設計できるようになる」という夢があります。これらの機能を同時に実現することは困難です。当社のリチウムイオン電池の設計者は、急速充電がリチウムイオン電池の寿命に深刻な影響を与える可能性があることを認識しています。これは、多くの場合、Li +が負のグラファイトグリッドに急速に埋め込まれ、グラファイト材料に深刻な機械的ストレスを引き起こし、グラファイトアノードをもたらす可能性があるためです。充電速度が速すぎたり、充電中の電池温度が低いことに加えて、材料の層間剥離と粒子破壊の問題により、金属Liが負極の表面に沈殿し、リチウムの可逆容量が失われる可能性があります。イオン電池、およびサイクル寿命の減衰。パワーセルはエネルギーよりも高いため、パワーセルの充電時間を短縮することはより困難な作業です。この問題を解決するために、ドイツのミュンヘンにある工科大学のFranz B. Spinglerは、負および不可逆的なリチウム、不可逆的なセルの体積膨張、およびバッテリー容量の損失の関係を分析し、大容量用の急速充電システムを設計しました。これに基づくバッテリー。このシステムは、1Cの二重定電流定圧充電と比較して、充電時間を11％短縮し、容量を16％（200サイクル）低下させることができます。

実験では、NCM /グラファイトフレキシブルパックバッテリーを3.3Ahの容量で使用しました。バッテリーの基本的な特性を下表に示します。バッテリーはサーモスタットに入れられます。充電と放電のプロセス全体を通して、レーザー増粘剤はバッテリーの長さに沿ってその厚さを継続的に測定し、赤外線温度センサーを使用してリチウムイオンバッテリーの表面の温度変化を追跡します（下図を参照）。

Franz B. Spinglerは、最初にリチウムイオン電池の膨張特性に対する温度の影響を分析しました。バッテリーの温度が0°Cから45°Cに戻ると、バッテリー全体の平均膨張率は1.2 um /°Cになります。下の図Bから、バッテリー全体の膨張が均一ではなく、バッテリーのエッジが大きく、バッテリーの局所的な膨張速度が0.6 um /°Cから3.4um /の範囲にあることもわかります。 °C。膨張係数は1.2X 10-4 /°Cから7.0X 10-4 /°Cに相当し、平均は2.5 x 10-4 /°Cです。リチウムイオン電池の膨張温度を測定する主な理由は、充電プロセス中にリチウムイオン電池の温度が上昇するためです。これはまた、リチウムイオン電池の膨張を引き起こし、リチウムイオン電池の全膨張から温度膨張を分離する必要がある。

次の図は、それぞれ0.5 C、1.0 C、1.5 C、および2Cを使用したCC-CVの充電中の体積膨張を示しています。ここで、線分曲線は直接測定されたバッテリー膨張曲線です。実線は、温度による膨張率を差し引いた後の電池の膨張曲線です。バッテリーを大電流（1.5Cおよび2.0C）で充電すると、定電流充電から定圧充電までのバッテリー充電の初期段階で、バッテリーの膨張が膨張ピーク（オーバーシュート）を示し始めることがわかります。その後、定圧充電が終了する前に落下して消えます。まず、2.0 Cの電荷を調べます。これは、約40umの体積膨張ピークを持ち、0〜100％のSoCバッテリーからの総体積膨張の25％を占めています。この体積膨張ピークのサイズは、バッテリーの再充電率と密接に関連しており、1.5 Cで25umですが、0.5Cと1Cにはそのようなピーク膨張はありません。 Franz B. Spinglerは、このピーク膨張の主な理由は、急速充電中に金属Liが負極面に析出し、定圧充電の最後にグラファイト負極に再埋め込まれたことであると考えています。

バッテリー膨張のピークが負の表面リチウムによるものである場合、金属Liを負極に再埋め込みする際に電圧曲線上にプラットフォームが生成されるため、Franz B.Spinglerは上記の仮定が正しいかどうかを検証します。 。さまざまな倍率でバッテリーが90％（ピークボリューム拡張の上限）で充電されると、バッテリー電圧が中断され、バッテリー電圧の変化が記録されます（下図を参照）。静電圧曲線からわかるように、0.5Cおよび1.0Cで再充電されたバッテリーの電圧は、充電が中断された後、急速に低下します。一方、1.5 Cを超える再充電率のバッテリーは、充電後の電圧降下中に大きな電圧プラットフォームを持ちます。中断されます。特に、2.0Cと2.5Cで充電されるバッテリー電圧プラットフォームは非常に明白です。これは、帯電率の増加に伴い、負の表面金属Liの現象がより明白になったことを示しています。また、大電流充電中にリチウムイオン電池で発生する体積膨張のピークは、リチウム負極面アナライザーと密接な関係があることも示しています。

充電中にリチウムイオン電池によって発生する体積膨張は、完全に元に戻すことはできません。次の図は、さまざまな充電率での各サイクルのバッテリーの容量損失、平均不可逆体積膨張、および最大不可逆体積膨張を示しています。この図から、バッテリーの不可逆的な体積膨張は、バッテリー容量の損失と強い相関関係があることがわかりました。計算によると、平均不可逆体積膨張とバッテリー容量損失の相関は0.945であり、最大不可逆体積膨張はバッテリー容量損失と相関関係があります。 0.996まで。

Franz B. Spinglerの研究によると、バッテリーの端でのバッテリーの不可逆的な体積膨張は、多くの場合、より深刻です。この現象を説明するために、Franz B. Spinglerは、再充電されたバッテリーの剖検を0.5〜2.0Cの倍率で実行します。次の図は、構造を示しています。 2つの負極、次の図から、バッテリーエッジの位置がより不可逆的であり、体積膨張がより深刻であることがわかります。バッテリーの解剖された負の表面で、これらの位置にかなりの金属Liが析出していることがわかります。これは、バッテリーの不可逆的な体積膨張と容量損失が、負の表面での金属Liの析出と密接に関連していることを示しています。

上記の分析から、負の表面での不可逆的な金属Liの析出、バッテリーの不可逆的な体積膨張、およびバッテリーの容量損失が密接に関連していることを確認することは難しくありません。したがって、リチウムイオン電池の急速充電システムを設計するときは、負の不可逆的な金属Liの析出を回避する必要があります。急速に充電し、バッテリー寿命の急激な低下を回避できる充電システムを設計するために、Franz B. Spinglerは、0.5〜3.0 Cの乗数を使用して、バッテリーを10〜100％SoCに充電し、次に0.5Cの定電流を使用します。 0％SoCまでの定圧放電では、バッテリーの最大不可逆的体積膨張が記録され、急速充電システムの設計をガイドします。試験結果を下図に示します。この図から、充電比が大きいほど、SoCのエンドが高くなるほど、バッテリーの最大不可逆体積膨張が大きくなり、バッテリーの容量が失われる傾向がわかります。大きい。

最大の不可逆的なボリューム拡張を最小限に抑えるために、Franz B. Spinglerはセグメント化された電荷を使用します。この電荷では、2.4 Cの電荷が0〜10％のSoC範囲で使用され、次に1つずつ減少します（下の図Cを参照）。この最適化された充電システム。リチウムイオン電池の充電時間は、（1C倍率のCC-CVシステムと比較して）最大21％短縮でき、効果的に充電時間を短縮します。

最適化された充電システムは、不可逆的な体積膨張を低減することにより、リチウムイオン電池のサイクル寿命を効果的に改善します。次の図は、最適化された充電システム、1C比CC-CV、および1.4 C比CC-CV充電システムを使用したバッテリーサイクル曲線を示しています。通常のCC-CV曲線と比較すると、バッテリーサイクルがわかります。最適化された充電システムが大幅に改善された後のパフォーマンス（200週間のサイクル、容量損失の16％）。バッテリーの解剖学的結果から、充電システムを最適化した後、バッテリーの負の非常に不可逆的なリチウムも大幅に削減されました。

Franz B. Spinglerは、異なる倍率で充電するリチウムイオン電池によって引き起こされる負の極性の不可逆的なリチウム分析と、電池の不可逆的な体積膨張および電池容量の損失との関係を明らかにしました。リチウムイオン電池の急速充電の理由容量低下と加速、充電比の違いによる電池の不可逆的な体積膨張に応じて、最適化された充電システムが開発され、充電時間が21％短縮され、容量損失が発生しました。 1CダブリングCC-CV充電システムと比較して16％（200サイクル）。

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