リチウムイオン電池の充電および放電率の性能を制限する要因は何ですか？

リチウムイオン電池の充放電速度は、一定量のエネルギーを電池に蓄える速度、または電池内のエネルギーが放出される速度を決定します。もちろん、このストレージとリリースのプロセスは、バッテリーの寿命やその他のパフォーマンス指標に大きな影響を与えることなく、制御可能で安全です。

バッテリーが電動工具として使用される場合、特にエネルギー車両の場合、倍率インジケーターは特に重要です。電気自動車を運転して何かをする場合、途中で電気がないことを見つけ、充電する充電ステーションを見つけ、1時間の充電がいっぱいではない場合、すべての作業が遅れると推定されます。または、電気自動車が急な坂を登っています。スロットル（電気ドア）をどのように踏んでも、車は亀のように遅いので待ちきれません。

もちろん、これらのシーンは見たくないものですが、リチウムイオン電池の現状です。充電には時間がかかり、放電が強すぎないようにしてください。そうしないと、バッテリーがすぐに古くなり、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、私たち全員が大きな充電率と放電性能を備えたバッテリーを必要としているため、再び「バッテリー」にとらわれています。リチウムイオン電池のより良い開発を達成するために、どの要因が電池のレート性能を制限しているかを理解する必要があります。

リチウムイオン電池の充放電性能は、正極と負極、電解質、およびそれらの間の界面の間の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（これらの影響要因は、バッテリーと同等の場合もあります）。内部抵抗）は、リチウムイオン電池の充電および放電速度性能に影響を与えます。さらに、バッテリーの内部熱放散率も、速度性能に影響を与える重要な要素です。放熱速度が遅いと、大量の充放電時の蓄積熱が伝わりにくくなり、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を改善するという観点から行われている。

1.正極と負極のリチウムイオン拡散能力を向上させる

リチウムイオンがデインターカレートされて正/負の活物質の内部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、または正/負の表面から活性物質の内部に流出する速度。 「落ち着く」位置を見つけるための材料充電と放電の速度に影響を与える重要な要素である速度はどれくらい速いか。

たとえば、世界には毎年たくさんのマラソンがあります。全員が同時にスタートしますが、道路幅は限られていますが、関係者が多く（時には数万人も）、相互混雑や参加者の体を引き起こします。品質は不均一で、チームは最終的には非常に長い戦いになります。誰かがすぐに終わりに達し、何人かの人々は数時間遅れ、何人かの人々は失神に走り、そして彼らは途中で食べるのをやめました。

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。彼らはより遅くそしてより速く走ります、そして彼らが選ぶ道の長さは変化します、そしてそれはゲームの終わりを深刻に制限します（誰もがそれを走らせます）。ですから、マラソンはしたくありませんが、100メートル走る方がいいです。距離は十分に短いです。誰もがすぐに終わりに達することができます。さらに、滑走路は十分に広く、互いに混雑しないようにし、道路がねじれたりねじれたりしないようにする必要があります。直線はゲームの難易度を下げるのが一番です。このようにして、審判は声を出して鳴り響き、何千頭もの馬と馬が最後まで駆けつけた。ゲームはすぐに終了し、レートパフォーマンスは素晴らしかった。

正極材料では、極片を十分に薄くする、つまり活物質の厚みを薄くすることで走行距離を短くすることで、正極の圧縮密度を上げることが望ましい。可能な限り材料。活物質の内部には、リチウムイオンの通路を残すのに十分な穴のクリアランスが必要です。同時に、これらの「滑走路」の分布は均一でなければなりません。あるべき場所もあれば、そうでない場所もあります。これは、正極材料の構造を最適化するためです。粒子間の距離と構造を変更して、均一な分布を実現します。上記の2つの点は実際には矛盾しており、圧縮密度が高くなります。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。逆に、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、最高のリチウムイオン移動率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、異なる材料の正極材料は、リチウムイオンの拡散係数に大きな影響を及ぼします。したがって、リチウムイオン拡散係数が比較的高い正極材料を選択することも、レート性能を向上させるための重要な方向性です。

アノード材料の処理方法はカソード材料と同様であり、主に材料の構造、サイズ、厚さから始まり、アノード材料のリチウムイオンの濃度差を減らし、リチウムの拡散能力を向上させます。アノード材料のイオン。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/負の材料で再生され、電解質のゲームは泳いでいます。

水泳競技では、水（電解質）の抵抗をどのように減らすかがスピード向上の鍵となります。近年、水泳選手は一般的にサメのスーツを着ており、人体表面の水形成抵抗を大幅に低減し、アスリートのパフォーマンスを向上させ、非常に物議を醸す話題になっています。

リチウムイオンは、正極と負極の間を行き来する必要があります。電解液と電池ケースで構成された「プール」で泳ぐのと同じように、電解液のイオン伝導度は水の抵抗と同じです。リチウムイオンの遊泳速度は非常に大きな影響を及ぼします。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、液体電解質であろうと固体電解質であろうと、イオン伝導度が低い。電解液の抵抗は電池全体の抵抗の重要な部分となり、リチウムイオン電池の高速性能への影響は無視できません。

電解質のイオン伝導度を高めることに加えて、電解質の化学的および熱的安定性に焦点を当てることも重要です。急速に充電および放電する場合、バッテリーの電位窓は大きく異なります。電解質の化学的安定性が良くない場合、正極材料の表面で酸化および分解しやすく、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及ぼします。これは、電解質が熱によって分解されるときに大量のガスを生成し、電池の安全性に隠れた危険をもたらすためです。一方では、他方では負極の表面にいくらかのガスがあります。 SEI膜は、そのサイクル性能に影響を与える破壊的な効果を生み出します。

したがって、リチウムイオン伝導性が高く、化学的安定性と熱安定性に優れた電解質を選択し、電極材料と一致させることが、リチウムイオン電池のレート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

これには、いくつかの異なる物質と物質の間の界面、それらが形成する抵抗値が含まれますが、すべてがイオン/電子伝導に影響を及ぼします。

一般に、正極活物質の内部に導電剤を添加することにより、活物質、活物質、正極基板／集電体との接触抵抗を低減し、導電性（イオンおよび電子伝導性）を向上させる。正極材料、およびレート性能の向上。さまざまな形状とさまざまな材料の導電剤は、バッテリーの内部抵抗に影響を与え、バッテリーのレート性能に影響を与えます。

正極と負極の集電体（極耳）は、リチウムイオン電池と外部との間で電気エネルギーを伝達するためのキャリアであり、集電体の抵抗値も電池のレート性能に大きく影響します。したがって、集電体の材料、サイズ、抽出方法、接続方法などを変更することにより、リチウムイオン電池のレート性能およびサイクル寿命を改善することができる。

正および負の材料による電解質の浸透の程度は、電解質と電極との間の界面での接触抵抗に影響を及ぼし、それにより、電池の速度性能に影響を与える。電解質の総量、粘度、不純物含有量、正と負の材料の細孔などは、電解質と電極の間の接触抵抗を変化させます。これは、レート性能を改善す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、負極に固体電解質（SEI）膜が形成されます。 SEIフィルムは優れたイオン伝導性を持っていますが、それでもリチウムイオンを拡散します。特に大量の充電と放電を行う場合は、一定の障害があります。サイクル数が増えると、SEI膜が連続的に脱落、剥離、負極表面に堆積し、負極の内部抵抗が増加し、サイクルレート性能に影響を与える要因となります。 。したがって、SEI膜の変動を制御することで、リチウムイオン電池の長期サイクル中のレート性能も向上させることができます。

また、セパレータの吸液率や気孔率もリチウムイオンの通過に大きく影響し、リチウムイオン電池の速度性能（比較的小さい）にもある程度影響します。

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