リチウムイオン電池の充放電比

リチウムイオン電池の充電と放電の速度によって、電池に一定量のエネルギーを蓄える速度、または電池にエネルギーを放出する速度が決まります。もちろん、この保管および解放プロセスは制御され、安全であり、バッテリー寿命やその他のパフォーマンス測定基準に大きな影響を与えることはありません。

バッテリーが電気自動車のエネルギーキャリアとして使用される場合、乗数指数は特に重要です。電気自動車を運転してビジネスを行っていて、途中で電力が不足していることに気づき、車を充電する充電ステーションを見つけて、1時間の充電で満タンにならない場合は、遅れる可能性があると想像してみてください。作業。あるいは、電気自動車が急な坂を登っていて、ガスをどれだけ強く叩いても、亀のように遅く、起き上がれず、押したくないのかもしれません。

もちろん、上記のシーンは見たくありませんが、リチウムイオン電池の現状であり、充電時間が長く、放電が強すぎない場合、電池がすぐに劣化し、安全上の問題が発生する可能性があります。しかし、多くのアプリケーションでは、高い充電率と放電性能を備えたバッテリーが必要であるため、ここでも「バッテリー」にとらわれています。リチウムイオン電池の開発を改善するには、電力性能を制限するものを理解することが重要です。

リチウムイオン電池の充電および放電速度性能は、正極および負極、電解質、およびそれらの間の界面におけるリチウムイオンの移動能力に直接関係しています。リチウムイオンの移動速度に影響を与えるすべての要因（これらの要因は、バッテリーの内部抵抗と同等である可能性もあります）は、リチウムイオンバッテリーの充電および放電速度のパフォーマンスに影響を与えます。さらに、バッテリー内部の熱放散率も、乗算器の性能に影響を与える重要な要素です。放熱速度が遅いと、高速の充放電時に蓄積された熱を逃がすことができず、リチウムイオン電池の安全性や寿命に大きな影響を及ぼします。したがって、リチウムイオン電池の充放電性能の研究と改善は、主にリチウムイオンの移動速度と電池内部の熱放散率の改善に焦点を合わせています。

1.正極と負極のリチウムイオン拡散能力を向上させる

リチウムイオンが分離して正/負の活物質に埋め込まれる速度、つまり、リチウムイオンが正/負の活物質から逃げる速度、または正/負の表面から活物質内の場所を見つける速度。電極は、充電および放電速度に影響を与える重要な要素です。

たとえば、世界中で毎年多くのマラソンが開催されていますが、基本的にはすべて同時に、道路の幅は限られていますが、参加者が多すぎて（場合によっては最大数万人）、相互に混雑します。参加者の体格は不均一で、チームはついに超ロングフロントになりました。すぐにフィニッシュラインに到着する人もいれば、数時間遅れて到着する人もいれば、気を失って途中で止まる人もいます。

正極/負極でのリチウムイオンの拡散と移動は、基本的にマラソンと同じですが、低速で動作するものと高速で動作するものがあります。さらに、彼らが選択する道路の長さが異なると、レースの終了時間が大幅に制限されます（全員がレースを終了します）。したがって、マラソンはしたくありません。誰もが100メートル走るほうがいいです。距離は十分に短いので、誰もがすぐにフィニッシュラインに到達できます。このように、審判はリング、数千人の軍隊と馬が一緒にレースの終わり、レースの終わりまで速く、優れたパフォーマンスを発揮します。

正極材は、電極板を十分に薄くする、つまり活物質の厚みを薄くすることで、レース距離を短くすることで、正極材の締固め密度を高めたいと考えています。できるだけ。活物質には、リチウムイオンが競合するためのチャネルを残すのに十分な細孔空間が必要です。同時に、これらの「滑走路」は、一部の場所や一部の場所ではなく、均等に分散する必要があります。これには、アノード材料の構造を最適化し、粒子間の距離と構造を変更し、均一な分布を実現する必要があります。上記の2つの点は実際には矛盾しています。締固め密度を向上させるため、厚みは薄くなりますが、粒子ギャップが小さくなり、滑走路が混雑しているように見えます。それどころか、特定の粒子ギャップを維持することは、材料を薄くするのに役立ちません。したがって、リチウムイオンの最適な移動速度を達成するためのバランスポイントを見つける必要があります。

さらに、リチウムイオンの拡散係数はアノード材料の影響を大きく受けます。したがって、乗算器の性能を向上させるために、リチウムイオン拡散係数の高いアノード材料を選択することが重要な方向です。

負極材料の処理方法は、正極材料の処理方法と似ています。主に材料の構造、サイズ、厚さに基づいて、負極材料中のリチウムイオンの濃度差を減らし、負極材料中のリチウムイオンの拡散能力を向上させます。カーボンベースのアノード材料を例にとると、近年、ナノカーボン材料（ナノチューブ、ナノワイヤー、ナノスフェアなど）の研究は、アノード材料の比表面積、内部構造、および拡散チャネルを大幅に改善することができます。アノードの従来の層状構造により、アノード材料のマルチプライヤ性能が大幅に向上します。

2.電解質のイオン伝導性を改善します

リチウムイオンは正/負の材料で競争しますが、電解質での競争は泳いでいます。

水泳では、水（電解質）の抵抗をどのように減らすかがスピードの鍵になります。近年、水泳選手は一般的にサメのスーツを着ており、人体表面の水の抵抗を大幅に減らすことができるため、アスリートのパフォーマンスが向上し、非常に物議を醸すトピックになっています。リチウムイオンは、電解質とバッテリーシェルで構成された「プール」で泳ぐのと同じように、正極と負極の間を往復する必要があります。電解質のイオン伝導率は、水の抵抗と同様に、リチウムイオンの遊泳速度に大きな影響を与えます。現在、リチウムイオン電池に使用されている有機電解質は、液体電解質であれ固体電解質であれ、イオン伝導度はそれほど高くありません。電解液の抵抗は、バッテリー全体の抵抗の重要な部分になります。

電解質のイオン伝導性を改善することに加えて、電解質の化学的および熱的安定性も強調する必要があります。高速で充電および放電する場合、バッテリーの電位窓の範囲は非常に広くなります。電解質の化学的安定性が良くない場合、アノード材料の表面で酸化および分解されやすく、電解質のイオン伝導性に影響を及ぼします。電解質は熱で分解されると大量のガスを発生するため、電解質の熱安定性はリチウムイオン電池の安全性とサイクル寿命に大きな影響を与えます。一方では、それはバッテリーの安全性に隠れた危険をもたらします。一方、一部のガスは負極表面のSEI膜を破壊し、そのサイクル性能に影響を与えます。

したがって、リチウムイオン伝導性が高く、化学的および熱的安定性が高く、電極材料と一致する電解質を選択することは、リチウムイオン電池の乗算器性能を向上させるための重要な方向性です。

3.バッテリーの内部抵抗を減らします

抵抗値を形成するいくつかの異なる種類の材料とそれらの界面がありますが、すべてがイオン/電子伝導に影響を及ぼします。

一般に、導電剤は、活物質と正のマトリックス／コレクタ流体との間の接触抵抗を低減し、正の材料の導電率（イオンおよび電子の導電率）を改善し、乗数のパフォーマンス。異なる材料と異なる形状の導電剤は、バッテリーの内部抵抗に影響を与え、したがって、その乗算器の性能に影響を与えます。

正と負のコレクター（ポールイヤー）は、リチウムイオン電池と外界との間のエネルギー伝達のキャリアです。したがって、リチウムイオン電池の乗算器性能とサイクル寿命は、コレクター流体の材料、サイズ、抽出方法、および接続プロセスを変更することによって改善できます。

電解液とアノード材料の浸透度は、電解液と電極間の界面での接触抵抗に影響を与え、したがって電池の乗数性能に影響を与えます。電解質の総量、粘度、不純物含有量、および正極材料と負極材料の多孔性により、電解質と電極間の接触インピーダンスが変化します。これは、乗算器の性能を向上させるための重要な研究の方向性です。

リチウムイオン電池の最初のサイクルでは、リチウムイオンが負極に埋め込まれるため、固体電解質（SEI）膜の層が負極に形成されます。 SEIフィルムは優れたイオン伝導性を備えていますが、特に高速の充放電の場合、リチウムイオンの拡散を妨げる影響があります。サイクルタイムの増加に伴い、SEI膜が剥がれ、剥がれ、負極の表面に堆積し、負極の内部抵抗が増加し、サイクル比性能に影響を与える要因となります。したがって、SEIフィルムの変化を制御することで、リチウムイオン電池の長期サイクルにおける乗算器の性能を向上させることもできます。

さらに、膜の吸収性と多孔性もリチウムイオンの透過性に大きな影響を及ぼし、リチウムイオン電池の乗数性能にもある程度影響します（比較的小さい）。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。