リチウム電池の急速充電性能を向上させる方法は？

リチウム電池の急速な充電と放電の本質は、リチウムイオンを正の材料と負の材料の間ですばやくデインターカレートできることです。バッテリーの材料特性、プロセス設計、および充電および放電システムはすべて、高電流充電性能に影響を与えます。

この図を使用して、バッテリーを充電するプロセスを説明します。横軸は時間の縦座標であり、電圧が使用されます。リチウム電池の充電の開始時に、正と負の材料を安定させるために、小電流のプリチャージプロセス、つまりCCPre-chargeがあります。その後、バッテリーの状態が安定した後、大電流充電、つまりCCFastChargeに調整できます。

最後に、定電圧充電モード（CV）に入ります。リチウム電池の場合、電圧が4.2Vに達した後、システムは定電圧充電モードを開始し、充電電流は徐々に減少し、値が特定の値を下回ると、最後に充電が終了します。

プロセス全体を通して、さまざまな標準充電電流がさまざまなバッテリーで利用できます。たとえば、3C製品のバッテリ標準の場合、0.1C〜0.5Cが一般的に選択されますが、高出力バッテリの場合、標準充電は通常1Cです。より低い充電電流を選択すると、バッテリーの安全性も考慮されます。したがって、通常言われる急速充電は、標準の充電電流の数倍から数十倍高いことを意味します。

リチウム電池の充電はビールを注ぐようなものだと言う人もいます。それは速くてビールでいっぱいです、しかしそれはたくさんの泡が遅くなり、遅くなります、しかしたくさんのビールがあり、非常にリアルです。急速充電は充電時間を節約し、バッテリー自体に大きなダメージを与えます。

バッテリーの分極現象により、許容できる最大充電電流は、充電および放電サイクルの増加とともに減少します。充電を続けて充電電流を大きくすると、電極のイオン濃度が高くなり、分極が強くなります。端子電圧は、充電量/エネルギーに正比例することはできません。同時に、大電流充電、内部抵抗の増加はジュール熱効果（Q = I2Rt）の悪化につながり、電解質反応分解、ガス生成などの副次的反応を引き起こし、危険因子が突然増加します、バッテリーの安全性をもたらします。衝撃、非電力バッテリーの寿命は必然的に大幅に減少します。

01カソード材料

リチウム電池の急速充電のプロセスは、Li +が正極材料の負極に急速に移行するプロセスです。正極材料の粒子サイズは、電池の電気化学的プロセスにおける応答時間とイオン拡散経路に影響を与える可能性があります。材料の粒径が小さくなると、リチウムイオンの拡散係数が増加することが研究されています。ただし、材料の粒度が小さくなると、製造中に激しい粒子の凝集が発生し、分散が不均一になります。一方、ナノ粒子は、充電および放電中にポールピースの圧縮密度と電解質との接触を減らします。面積は、バッテリーの性能に影響を与える副反応によって増加します。

より信頼性の高い方法は、正極材料のコーティングを変更することです。たとえば、LFP自体の導電率はそれほど良くありません。炭素材料または他の材料を表面にコーティングした後、導電率を改善することができ、これは電池性能の急速充電を改善するのに有益である。

02アノード材料。

リチウム電池の急速充電とは、リチウムイオンがすばやく逃げて負極に「スワイプ」することを意味します。この場合、負極材料には高速リチウム挿入機能が必要です。リチウム電池の急速充電用のアノード材料には、炭素材料、チタン酸リチウムが含まれます。 、およびその他の新しい材料。

炭素材料の場合、リチウムインターカレーションの可能性はリチウムと同様であるため、従来の充電の場合、リチウムイオンが優先的にグラファイトに埋め込まれますが、高速充電または低温では、リチウムイオンが表面に沈殿してデンドライトを形成する場合があります。 。樹枝状リチウムはSEIを貫通し、Li +の二次損失を引き起こし、バッテリー容量を減少させます。リチウム金属が一定量に達すると、負極からセパレーターに成長し、バッテリーの短絡を引き起こす可能性があります。

LTOの場合、これはゼロひずみの酸素含有アノード材料であり、バッテリーの動作時にSEIを生成せず、リチウムイオンと結合する能力が強く、高速充電と高速リリースの要件を満たすことができます。同時に、SEIが形成できないため、負極材料が電解液に直接接触し、副反応の発生を促進します。 LTO電池のガス発生の問題は解決できず、表面改質法によってのみ軽減することができます。

03電極液

先に述べたように、急速充電プロセス中、リチウムイオンの移動速度と電子移動速度に一貫性がないため、バッテリーの分極は大きくなります。電池の分極による負の反応を最小限に抑えるために、次の3つのポイントが電解質の開発方向になります。1。高解離電解質塩。 2.溶媒化合物-粘度が低くなります。 3.インターフェース制御-膜インピーダンスが低い。

04製造工程と急速充電の関係

過去には、正および負の材料と電極液などの3つの主要な材料を分析して、急速充電の要件と影響を分析していました。以下は、比較的大規模なプロセス設計です。電池製造プロセスのパラメータは、電池の起動前後の電池のさまざまな部分でのリチウムイオンの移動抵抗に直接影響します。したがって、電池準備プロセスのパラメータは、リチウムイオン電池の性能に重要な影響を及ぼします。

（1）スラリー

スラリーの性質上、一方では導電剤の均一な分散を維持する必要があります。導電剤が活物質粒子間で均一に分布しているため、活物質間および活物質と集電体との間に比較的均一な導電性ネットワークを形成することができ、微小電流を収集する機能を有し、接触抵抗を低減し、電子の移動速度を改善します。 。別の態様は、導電剤の過度の分散を防ぐことである。充放電過程で正と負の材料の結晶構造が変化し、導電剤の剥離や剥離が発生し、電池の内部抵抗が増加し、性能に影響を与える可能性があります。

（2）極密度

理論的には、レートタイプのバッテリーと大容量バッテリーを組み合わせることはできません。正極と負極の面密度が低い場合、リチウムイオンの拡散速度を上げ、イオンと電子の移動抵抗を下げることができます。面密度が低いほど、ポールピースは薄くなり、充電および放電中のリチウムイオンの連続的な挿入および放出によるポールピースの構造の変化は小さくなります。

ただし、面密度が低すぎると、バッテリーのエネルギー密度が低下し、コストが高くなります。したがって、面密度を総合的に考慮する必要があります。次の図は、コバルト酸リチウム電池の6C充電1C放電の例です。あなたが見ることができます：

（3）ポールピースコーティングの一貫性

友人が以前に尋ねました、ポールの一貫性のない密度はバッテリーに影響を与えますか？ちなみに、高速充電性能のために、それは主に負極部分の一貫性です。負極面の密度にばらつきがあると、圧延後の活物質の内部気孔率に大きな差が生じます。気孔率の違いは内部電流分布の違いを引き起こし、それは電池形成段階でのSEIの形成と性能に影響を及ぼし、最終的には電池の急速充電性能に影響を及ぼします。

（4）ポールピースの締固め密度

なぜポールピースが圧縮されているのですか？ 1つはバッテリーの比エネルギーを上げることで、もう1つはバッテリーの性能を向上させることです。最適な圧縮密度は、電極材料によって異なります。圧縮密度を上げるには、電極ポールピースの多孔度が小さいほど、粒子間の接続が緊密になり、同じ面密度でポールピースの厚さが薄くなり、リチウムイオンの移動経路が減少します。

圧縮密度が大きすぎると、電解液の浸透効果が悪くなり、材料構造や導電剤の分布が崩れ、後で巻線の問題が発生する場合があります。同じことがコバルト酸リチウム電池6C充電1C放電であり、放電比容量に対する圧縮密度の影響は次のとおりです。

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05老化など

カーボンネガティブバッテリーの場合、化学エージングはリチウムバッテリーの重要なプロセスであり、このプロセスはSEIの品質に影響を与えます。 SEIの厚さは均一ではないか、構造的に不安定であるため、バッテリーの急速充電容量とサイクル寿命に影響します。

上記の重要な要素に加えて、電池の製造、充電、放電システムは、リチウム電池の性能に大きな影響を与えます。使用時間が長くなると、バッテリーの充電率を適度に下げる必要があります。そうしないと、分極が悪化します。

結論

リチウム電池の急速な充電と放電の本質は、リチウムイオンを正の材料と負の材料の間ですばやくデインターカレートできることです。バッテリーの材料特性、プロセス設計、および充電および放電システムはすべて、高電流充電性能に影響を与えます。正および負の材料の構造安定性は、急速な脱リチウム化中の構造の崩壊を促進し、リチウムイオンは、高電流の充電に耐えるために材料内でより速く拡散します。イオン移動速度と電子輸送速度が一致しないため、充電と放電の間に分極が発生し、リチウム金属が沈殿して容量が影響を受けるのを防ぐために分極を最小限に抑える必要があります。

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