リチウム電池はなぜ速く充電されないのですか？

リチウムイオン電池の純粋な電気自動車にとって、充電は依然として大きな問題であるため、「急速充電」は多くのメーカーの仕掛けになっています。著者は、リチウム電池の急速充電の問題を2つのレベルから分析する必要があると個人的に考えています。

セルのレベルから、リチウムイオン電池のレート性能は、カソード/電解質/負極材料システムの固有の伝送特性によって制限されます。一方、ポールピースプロセスとセル構造設計も、より高いレート性能を備えています。

ただし、最も本質的なキャリア伝導および伝送動作から、リチウム電池は「急速充電」には適していません。リチウム電池システムの固有のキャリア伝導および輸送動作は、主に、正および負の材料のコンダクタンスと、リチウムイオン拡散係数および有機電解質の伝導率に依存します。埋め込まれた反応機構に基づいて、リチウムイオンは正極材料（一次元イオンチャネルオリビン、二次元チャネル層状材料および三次元チャネルスピネルカソード材料）および負極グラファイトアノード材料（層状構造）に拡散する係数一般に、水性二次電池での不均一酸化還元反応の速度定数よりも数桁低い。

さらに、有機電解質のイオン伝導度は、水性二次電池電解質（強酸または強塩基）のイオン伝導度よりも2桁低くなっています。リチウム電池の負極の表面にはSEI膜の層があります。実際、リチウム電池のレート性能は、SEIフィルム内のリチウムイオンの拡散によって大きく制御されます。有機電解質中の粉末電極の分極は水系の分極よりもはるかに深刻であるため、負極の表面は高速または低温条件下でリチウムが堆積しやすく、重大な安全上の問題を引き起こします。

また、大電流充電条件下では、正極材料の格子が損傷しやすく、負極グラファイトシートも損傷する可能性があります。これらの要因は容量の減衰を加速し、それによってパワーバッテリーの寿命に深刻な影響を及ぼします。したがって、埋め込まれた反応の本質的な特性により、リチウムイオン電池は高速充電には適していないことがわかります。研究の結果、急速充電および高速解放モードでの単一セルのサイクル寿命が大幅に短縮され、使用後にバッテリーの性能が大幅に低下することが確認されました。

もちろん、一部の読者は、チタン酸リチウム（LTO）バッテリーを大量に充電および放電することはできないと言うかもしれません。

チタン酸リチウムの速度性能は、その結晶構造とイオン拡散係数によって説明できます。しかし、チタン酸リチウム電池のエネルギー密度は非常に低く、これは達成された電力タイプの犠牲エネルギー密度の使用に依存しているため、チタン酸リチウム電池のエネルギー単位（$ / Wh）は高コスト、低コストのチタン酸リチウムはリチウム電池開発の主流。実際、日本での東芝SCiBバッテリーの販売不振は、すでに問題を説明しています。

セルレベルでは、ポールピースプロセスとセル構造設計の観点からレート性能を向上させることができます。例えば、電極を薄くしたり、導電剤の割合を増やしたりするなどの対策が一般的な技術的手段です。さらに、メーカーでさえ、セル内のサーミスタを排除したり、集電体を厚くしたりするなどの極端な方法を採用しています。実際、多くの国内のパワーバッテリー会社は、技術的なハイライトとして、30Cまたは50CでさえLFPパワーバッテリーの高倍率データを作成しています。

ここで指摘したいのは、テスト方法としては理解できるのですが、セル内でどのような変化が起こったのかがカギです。長期の高速充放電、おそらく正と負の材料の構造が破壊されており、負極はすでにリチウムで析出しています。これらの問題には、いくつかのin-situ（In-Situ）検出方法（SEM、XRD、中性子回折など）が必要です。晴れ。残念ながら、これらのin-situ検出方法は、国内の電池会社ではほとんど報告されていません。

ここで著者はまた、リチウム電池の充電と放電のプロセスの違いに注意を払うように読者に思い出させます。充電プロセスとは異なり、リチウム電池はより高い速度で放電され（外部作業）、電池に生じる損傷は急速充電ほど深刻ではありません。水二次電池も同様です。しかし、電気自動車を実際に使用する場合、大電流放電よりも高速充電（急速充電）の需要が急務であることは間違いありません。

バッテリーパックのレベルまで上がると、状況はさらに複雑になります。充電プロセス中、異なる単一セルの充電電圧と充電電流は一貫しておらず、必然的に、パワーバッテリーの充電時間は単一バッテリーを超えます。つまり、従来の充電技術では1本のバッテリーを30分で半分の容量まで充電できますが、バッテリーパックは間違いなくこの時間を超えます。つまり、急速充電技術の利点はあまり明白ではありません。

また、リチウムイオン電池の使用（放電）中は、容量の消費や放電時間は直線的ではなく、時間とともに加速します。たとえば、電気自動車の全範囲が200 kmの場合、通常100 kmを走行すると、パワーバッテリーの容量は80％になる可能性があります。バッテリー容量が50％の場合、電気自動車は50kmしか走行できない可能性があります。

リチウムイオン電池のこの特徴は、パワーバッテリーの半分または80％を充電するだけでは、電気自動車の実際のニーズを満たすことがまったくできないことを示しています。たとえば、テスラはより急速充電技術を推進していますが、これは実際には著者よりも実用的であるように思われます。急速充電はバッテリーの寿命と性能を著しく低下させ、セキュリティリスクをもたらします。

リチウム電池は本質的に急速充電には適していないため、理論的には、電源切り替えモードで急速充電の欠点を補うことができます。パワーバッテリーをプラガブルタイプに設計すると、車両全体の構造強度の問題や電気絶縁の問題が発生し、バッテリーの基準や言い訳にも大きな問題がありますが、個人的にはこのモードが解決策であると信じていますリチウム電池の急速充電の問題に。技術的に（技術的にのみ）アプローチがより実現可能です。

私の意見では、「バッテリーレンタル＋電力交換モード」が世界で成功しなかった理由は、消費習慣の問題（所有者はバッテリーは車の私有財産と同じだと思っている）を除いて、主な障害は、テクノロジーの背後にある巨大な金利分配基準にあります。市場の多い欧米諸国では、この問題を解決することは中国よりもはるかに困難です。将来的には、中国のバスやタクシーなど2台の純粋な電気自動車を集中的に利用する分野では、大きな発展の余地があるかもしれないと個人的に考えています。