リチウムイオン電池の急速充電方式

市場に出回っている新車とは、電気自動車のことで、「急速充電、30分で80％充電、バッテリー寿命は200 km、走行距離の不安を完全に解消します」という意味で紹介されています。急速充電、商用車は機器の使用効率を改善するためにそれを使用し、乗用車は走行距離の不安を解決するためにそれを使用し、常に「オイルのタンクを追加する」時間に近づいています。標準になる傾向があります。今日は、急速充電の方法とその起源を探りましょう。

「急速充電」はどれくらい速く充電できますか？

私たちの充電の基本的な魅力：

1）充電は速くする必要があります。

2）バッテリーの寿命に影響を与えないでください。

3）お金と充電器が出す電気の量を節約し、バッテリーに充電してみてください。

では、どのくらいの速さで急速充電と呼ぶことができますか？具体的な値を示す標準的な文献はありません。当面の間、最もよく知られている補助金政策で言及されている数値のしきい値を参照しましょう。次の表は、新エネルギーバスの2017年の補助金基準を示しています。ご覧のとおり、急速充電のエントリーレベルは3Cです。実際、乗用車の補助金基準では、急速充電の要件については言及されていません。一般乗用車の広報資料から、30分の30％で速攻ギミックとして使用できると一般的に考えられて公表されていることがわかります。そうすると、乗用車の1.6Cはエントリーレベルの速さになると思います。基準値を記入してください。この考えによれば、15分間の宣伝は80％でいっぱいで、これは3.2Cに相当します。

急速充電のボトルネックはどこにありますか？

急速充電のコンテキストでは、関係者は、バッテリー、充電器、配電設備などの物理的な主題に従って分類されます。

急速充電について話し合い、バッテリーに問題があるかどうかを直接考えます。実際、バッテリーに問題が発生する前の最初の問題は、充電器と配電線です。テスラの充電パイルと呼ばれる、120kWの出力を持つスーパーチャージドパイルを参照します。 Tesla ModelS85D、96s75p、232.5Ah、最高の403Vのパラメーターによると、その1.6Cは最大必要電力149.9kWに対応します。ここから、長寿命の純粋な電気自動車の場合、1.6Cまたは80％で満たされた30分がすでに充電パイルをテストしていることがわかります。

国の基準では、元の住宅の電力網に直接充電ステーションを設置することは許可されていません。急速に充填されたパイルの電力消費量は、数十世帯の電力消費量を上回っています。したがって、充電ステーションは別の10kV変圧器を設定する必要があり、1つのエリアの配電ネットワークには10kV変電所を追加する余裕がありません。

次に、バッテリーと言います。バッテリーが1.6Cまたは3.2Cの充電要件に対応できるかどうかは、マクロとミクロの両方の観点から見ることができます。

巨視的な急速充電理論

このセクションが「巨視的急速充電理論」と呼ばれる理由は、バッテリーの急速充電能力を直接決定するのは、リチウムバッテリー内の正および負の材料の性質、微細構造、電解質組成、添加剤、ダイアフラム特性、ミクロレベルでは、一時的に脇に置いてバッテリーの外に立ち、リチウムバッテリーをすばやく充電する方法を確認します。

リチウム電池は最適な充電電流を持っています

1972年、アメリカの科学者JAMasは、バッテリーの充電曲線と充電中のマエストロの法則が最も優れていると提案しました。この理論は鉛蓄電池に対して提案されており、最大許容充電電流を定義するための境界条件は、少量の副反応ガスの生成が明らかに特定の反応タイプに関連していることであることに注意してください。

しかし、システムには最適なソリューションのアイデアがありますが、それは普遍的に適用可能です。リチウム電池に固有の、最大許容電流を定義する境界条件を再定義できます。いくつかの研究文献の結論に基づくと、最適値は依然としてマースの法則と同様の曲線傾向です。

リチウム電池の最大許容充電電流境界条件には、リチウム電池セルの要素だけでなく、システムレベルの要素も必要であることに注意してください。たとえば、熱放散能力が異なり、システムの最大許容充電電流が異なります。 。それでは、当面はこれに基づいて議論を続けていきます。

マスの定理の公式の説明：

I = I0 * e ^αt

ここで、I0はバッテリーの初期充電電流です。 αは充電受け入れ率です。 tは充電時間です。 I0とαの値は、バッテリーのタイプ、構造、および使用年数に関連しています。

現在、バッテリーの充電方法に関する研究は、主に最適な充電曲線に基づいています。下の図に示すように、充電電流がこの最適な充電曲線を超えた場合、充電率は増加しませんが、バッテリーのガス流出も増加します。この最適な充電曲線よりも小さい場合、バッテリーに損傷を与えることはありませんが、充電が長くなります。時間、充電効率を下げます。

この理論の精緻化は、マスの3つの法則のための3つのレベルで構成されています。

1任意の放電電流に対して、バッテリーの電流受容率αは、バッテリーによって放電される容量の平方根に反比例します。

2任意の放電量に対して、αは放電電流Idの対数に比例します。

3バッテリーが異なる放電率で放電された後、それらの最終的な許容充電電流it（acceptance）は、それぞれの放電率での許容充電電流の合計です。

上記の定理は、電荷受容の概念の源でもあります。まず、充電受容性とは何かを理解します。統一された役人の定義はありません。私の理解によると、充電容量は、特定の環境条件下で特定の充電量で充電式バッテリーによって充電できる最大電流です。許容できる意味は、望ましくない副反応を引き起こさず、バッテリーの寿命と性能に悪影響を及ぼさないということです。

次に、3つの法則を理解します。最初の法則は、バッテリーが一定量の電力を放出した後、その電荷の受け入れは現在の充電に関連しています。料金が低いほど、料金の受け入れは高くなります。第2法則では、充電プロセス中にパルス放電が発生し、バッテリーがリアルタイムの許容電流値を増加させるのに役立ちます。第3法則では、充電受け入れ能力は、充電時間前の充電条件と放電条件の重ね合わせによって影響を受けます。

マース理論がリチウム電池にも当てはまる場合は、逆分極角とパルス法のサポートに加えて、逆パルス充電（以下、特にリフレックス急速充電法と呼ぶ）を対抗点として使用して、温度上昇抑制を説明することができます。さらに、Masの理論の真の使用法は、バッテリーのパラメーターを追跡するインテリジェント充電方法です。これにより、充電電流値は常にリチウムバッテリーのメーザー曲線に従って変化し、充電効率は安全マージン内で最大化されます。

一般的な急速充電方法

リチウム電池を充電する方法はたくさんあります。急速充電の要件の場合、主な方法には、パルス充電、反射充電、およびスマート充電が含まれます。異なるバッテリータイプ、適用可能な充電方法は完全に同じではなく、方法のセクションで特定の区別はありません。

パルス充電

これは、文献からのパルス充電方法です。パルス位相は、充電が上限電圧の4.2Vに達した後に設定され、4.2Vを超えて継続します。当面、特定のパラメータ設定の合理性については触れられておらず、電池の種類によって違いがあります。パルスの実装プロセスに注意を払います。

以下はパルス充電曲線で、主にプリチャージ、定電流充電、パルス充電の3つのフェーズが含まれています。定電流充電中は定電流で充電され、エネルギーの一部が電池内部に伝達されます。バッテリー電圧が上限電圧（4.2V）まで上昇すると、パルス充電モードに入ります。バッテリーは1Cのパルス電流で断続的に充電されます。一定の充電時間Tcの間、バッテリー電圧は上昇し続け、充電が停止すると電圧はゆっくりと低下します。バッテリー電圧が上限電圧（4.2V）まで下がると、同じ電流値でバッテリーが充電され、次の充電サイクルが開始され、バッテリーが完全に充電されるまでバッテリーは完全に充電されます。

パルス充電プロセス中、バッテリ電圧降下速度は徐々に遅くなり、停止時間T0は長くなります。定電流充電のデューティサイクルが5％から10％と低い場合、バッテリーは満充電であると見なされ、充電が終了します。従来の充電方式に比べ、大電流でのパルス充電が可能で、シャットダウン期間中のバッテリーの集中分極とオーム分極がなくなるため、次の充電がよりスムーズになり、充電速度が速いです。温度変化が少なく、電池寿命への影響が少ないため、現在広く使用されています。しかし、その欠点は明らかです。電流機能が制限された電源が必要であり、パルス充電方式のコストが増加します。

断続的な充電方法

リチウム電池間欠充電方式には、可変電流間欠充電方式と可変電圧間欠充電方式があります。

1）可変電流間欠充電方式

可変電流間欠充電法は、厦門大学のTixianChen教授によって提案されました。定電流充電を制限電圧と電流断続充電に変更するのが特徴です。下図に示すように、可変電流間欠充電方式の第1段階では、より大きな電流値でバッテリを充電し、バッテリ電圧がカットオフ電圧V0に達すると充電を停止します。急激に低下します。充電期間を維持した後、充電電流を減らして充電を続けます。バッテリー電圧が再びカットオフ電圧V0まで上昇すると、充電が停止し、充電電流が数回（通常は約3〜4回）往復すると、設定電流値が減少します。次に、定電圧充電フェーズに入り、充電電流が下限値まで減少して充電が終了するまで、定電圧でバッテリーを充電します。

可変電流間欠充電方式の主充電段階では、充電電圧を制限した状態で、電流を徐々に減少させる間欠モード、すなわち充電プロセスを加速することにより、充電電流を徐々に増加させる。充電時間が短縮されます。ただし、この充電モード回路は比較的複雑で高価であり、一般に高電力で充電された場合にのみ考慮されます。

2）可変電圧間欠充電

可変電流間欠充電法に基づいて、可変電圧間欠充電法が研究されてきた。この2つの違いは、最初の段階での充電プロセスです。これは、断続的な定電流を断続的な定圧に置き換えます。上記の図（a）と（b）を比較すると、定電圧間欠充電は、最良充電の充電曲線とより一致していることがわかります。各定電圧充電フェーズでは、定電圧により、電気を充電します

指数法則に従って流量は自然に減少します。これは、充電の進行に伴ってバッテリー電流の許容速度が徐々に減少するという事実と一致しています。

反射型急速充電方式

反射型急速充電方式は、反射型充電方式または「しゃっくり」充電方式とも呼ばれます。この方法の各デューティサイクルには、順方向充電、逆方向瞬時放電、およびシャットダウンの3つの段階が含まれます。バッテリーの分極現象を大幅に解決し、充電を高速化します。ただし、逆放電を行うとリチウム電池の寿命が短くなります。

上図に示すように、各充電サイクルにおいて、2C電流充電時間のTcは10s、充電時間は0.5s Tr1、逆放電時間は1s Td、充電時間は0.5sです。 Tr2、各充電サイクル時間は12秒です。充電が進むにつれて、充電電流は徐々に小さくなります。

インテリジェント充電方式

スマート充電は、より高度な充電方法です。下の図に示すように、主な原理は、du / dtおよびdi / dt制御技術を適用して、バッテリーの電圧と電流の増分をチェックすることにより、バッテリーの充電状態をチェックすることです。ダイナミックトラッキングバッテリーは許容範囲です。充電電流は、充電電流が常にバッテリーの最大許容充電曲線に近くなるようなものです。この種のインテリジェントな方法は、一般に、ニューラルネットワークやファジー制御などの高度なアルゴリズム技術を組み合わせて、システムの自動最適化を実現します。

充電方法が充電率に及ぼす影響に関する実験データ

文献では、定電流充電方法と逆パルス充電を比較しています。定電流充電とは、充電プロセス全体を通して定電流でバッテリーを充電することです。定電流充電の開始時には大電流充電がありますが、時間が経つにつれて分極抵抗が徐々に現れて増加し、より多くのエネルギーが熱に変換されて消費され、バッテリー温度が徐々に上昇します。

定電流充電とパルス充電の比較

パルス充電方式は、一定期間充電した後の短い逆充電電流です。基本的なフォームを以下に示します。充電プロセス中に短い放電パルスが混合されて、充電プロセス中の分極抵抗の影響を脱分極および低減します。

研究では、パルス充電と定電流充電の効果を具体的に比較しています。平均電流は1C、2C、3C、4Cでした（Cはバッテリーの定格容量です）。 4セットの比較実験を行った。バッテリーの充電後に放電された電気量は、実際の充電量を測定するために使用されました。図は、充電電流が2Cのときのパルス充電電流とバッテリー端子電圧波形を示しています。表1に定電流パルス充電の実験データを示します。パルス周期は1秒、正のパルス時間は0.9秒、負のパルス時間は0.1秒です。

Ichavは平均充電電流、Qinは充電容量です。 Qoは放電電力、ηは効率です。

上記の表の実験結果から、定電流充電はパルス充電効率と同様であり、パルスは定電流よりわずかに低いが、バッテリーの総充電量とパルスが充電されていることがわかります。モードは定電流モードよりも大幅に多くなります。

パルス充電に対する異なるパルスデューティサイクルの影響

パルス充電の負電流放電時間は、充電速度に一定の影響を及ぼします。放電時間が長いほど、充電は遅くなります。同じフラット電流が充電されると、放電時間が長くなります。下の表からわかるように、異なるデューティサイクルは効率と充電に明確な影響を及ぼしますが、数値の違いはそれほど大きくありません。これに関連して、2つの重要なパラメータがあります：充電時間と温度は表示されません。

したがって、パルス充電の選択は、連続定電流充電よりも優れています。デューティサイクルを選択するには、バッテリーの温度上昇と充電時間の要件を考慮する必要があります。

各リチウム電池には、さまざまな状態パラメータと環境パラメータの下で最適な充電電流値があります。次に、バッテリー構造の観点から、最適な充電値に影響を与える要因は何か。

充電の微視的プロセス

リチウム電池は「ロッキングチェア型」電池と呼ばれ、帯電したイオンが正極と負極の間を移動して電荷を伝達したり、外部回路に電力を供給したり、外部電源から充電したりします。特定の充電プロセス中に、外部電圧がバッテリーの2つの極に印加され、リチウムイオンが正極材料からデインターカレートされて電解質に入り、同時に、過剰な電子が生成されて正極電流コレクターを通過します。 、外部回路を介して負極に移動します。リチウムイオンは電解質に含まれています。正極は負極に向かって移動し、セパレータを通過して負極に到達します。負極の表面を通過するSEI膜は、負極の黒鉛層状構造に埋め込まれ、電子に結合します。

イオンと電子の動作全体を通して、電気化学的であろうと物理的であろうと、電荷移動に影響を与えるバッテリー構造は、急速充電性能に影響を与えます。

急速充電、バッテリーのすべての部分の要件

電池の場合、電力性能を向上させたい場合は、正極、負極、電解質、ダイヤフラム、構造設計など、電池のあらゆる面で一生懸命働く必要があります。

正極

実際、ほとんどすべての種類のカソード材料を使用して、高速充填電池を製造できます。保証が必要な主な性能には、コンダクタンス（内部抵抗の低減）、拡散（保証された反応速度）、寿命（説明する必要はありません）、および安全性（不要）が含まれます。説明）、適切な処理性能（安全サービスのために、比表面積が大きすぎて副反応を減らすことはできません）。もちろん、特定の材料ごとに解決すべき問題は異なる場合がありますが、一般的なカソード材料は一連の最適化によって最適化できますが、材料が異なれば次のようになります。

A.リン酸鉄リチウムは、コンダクタンスと低温の問題の解決により重点を置くことができます。カーボンコーティング、中程度のナノ結晶化（中程度であり、単純なロジックほど細かくはないことに注意してください）、粒子の表面でのイオン伝導体の形成が最も典型的な戦略です。

B、三元材料自体は良好なコンダクタンスを持っていますが、その反応性が高すぎるため、三元材料はナノ結晶化の仕事がほとんどありません（特に電池の分野での冶金材料の性能改善に対する解毒剤ではありません。安全性と抑制（および電解質）の副作用にもっと注意が払われています。結局のところ、三元材料の主な目標は安全性です。最近のバッテリーの安全事故も頻繁に発生します。より高い要件を提案します。

C、マンガン酸リチウムは生命にとってより重要です。市場にはマンガン酸リチウムの急速充電バッテリーがたくさんあります。

負極

リチウムイオン電池が充電されると、リチウムは負極に移動します。急速充電と大電流によって引き起こされる過度に高い電位は、負極電位をより負にします。このとき、リチウムを急速に受け入れる負極の圧力が大きくなり、リチウムデンドライトが発生する傾向が大きくなります。したがって、負極は急速充電中のリチウム拡散を満たすだけではありません。速度論的要件は、リチウムデンドライト形成の増加傾向によって引き起こされる安全性の問題も解決するため、急速充電コアの主な技術的困難は、負極へのリチウムイオンの挿入です。

A。現在、市場で支配的なアノード材料はまだグラファイト（市場シェアの約90％）であり、根本的な原因は彼ではありません-安い（毎日高すぎる、感嘆符！）、そして包括的な処理性能とグラファイトのエネルギー密度は比較的良好で、欠点は比較的少ないです。もちろん、グラファイトアノードにも問題があります。表面は電解質に敏感であり、リチウムインターカレーション反応は強い方向性を持っています。したがって、主に黒鉛表面処理を行い、構造安定性を向上させ、基板上でのリチウムイオンの拡散を促進するために一生懸命働く必要があります。

B.ハードカーボンおよびソフトカーボン材料も近年開発されています。ハードカーボン材料は、リチウム挿入の可能性が高く、材料に微細孔があり、反応速度が良好です。軟質炭素材料は電解質との適合性が良好です。MCMB材料も非常に代表的ですが、硬質炭素材料と軟質炭素材料は一般に効率が低く、コストが高くなります（そして、グラファイトが産業の観点から私が望むほど安いと想像してください。ビュー）、したがって、量はグラファイトよりはるかに少なく、バッテリーのいくつかの専門分野でより多く使用されています。

C、誰かが著者にチタン酸リチウムの方法を尋ねます。簡単に言うと、チタン酸リチウムには、電力密度が高く、安全で、明らかな欠点があるという利点があります。エネルギー密度は非常に低く、Whによる計算コストは高くなります。したがって、チタン酸リチウム電池に関する著者の見解は常に次のとおりです。特定の状況では有利な有用な技術ですが、コストと航続距離が高い多くの場合には適していません。

D、シリコンアノード材料は重要な開発の方向性です。パナソニックの新しい18650バッテリーは、そのような材料の商業プロセスを開始しました。しかし、ナノテクノロジーにおける性能の追求と電池業界の材料に対する一般的なミクロンスケールの要件との間のバランスをどのように達成するかは、依然として困難な課題です。

ダイヤフラム

パワーバッテリーの場合、大電流動作は安全性と寿命に対するより高い要件を提供します。ダイヤフラムコーティング技術は切り離せません。セラミックコーティングされた膜は、その高い安全性と電解質中の不純物を消費する能力のために急速に押しのけられています。特に三元電池の安全性については、特に安全効果が顕著です。セラミックダイアフラムで現在使用されている主なシステムは、従来のダイアフラムの表面にアルミナ粒子をコーティングすることです。比較的新しいアプローチは、固体電解質繊維を膜にコーティングすることです。このような膜は内部抵抗が低く、膜に対する繊維の機械的支持効果がより優れており、使用中にダイアフラム穴を塞ぐ傾向が低くなります。コーティング後、セパレーターは良好な安定性を示します。比較的高温でも収縮・変形しにくく、ショートします。清華大学材料学部の学術研究者の技術サポートである江蘇青島エネルギー株式会社は、この点でいくつかの代表的な側面を持っています。作業、横隔膜を以下に示します。

固体電解質繊維でコーティングされたセパレーター

電解質

電解質は、急速充電されたリチウムイオン電池の性能に大きな影響を与えます。急速充電および大電流下でのバッテリーの安定性と安全性を確保するために、電解質は次の特性を満たす必要があります：A）分解できない、B）導電率が高い、C）正および負の材料に対して不活性、反応できないまたは溶解します。これらの要件を満たす必要がある場合、重要なのは添加剤と機能性電解質を使用することです。たとえば、三元急速充電バッテリーの安全性は、それによって大きく影響されます。それらをある程度保護するために、様々な耐高温、難燃性、および過充電防止添加剤を添加する必要があります。古いチタン酸リチウム電池の問題である高温鼓腸も、高温機能性電解質に依存します。

バッテリー構造の設計

典型的な最適化戦略は、スタックVS巻線タイプです。積層電池の電極は並列関係に相当し、巻線タイプは直列接続に相当します。したがって、前者の内部抵抗ははるかに小さく、電力タイプにより適しています。さらに、極の数に一生懸命取り組んで、内部抵抗と熱放散の問題を解決することができます。さらに、高導電性電極材料の使用、より導電性の高い薬剤の使用、およびより薄い電極の適用も考慮すべき戦略です。

要するに、電池の内部充電の動きと電極空洞の埋め込み速度に影響を与える要因は、リチウム電池の急速充電能力に影響を与えます。

主流メーカーの急速充電技術ルート概要

CATL

寧徳時代は、正極に対して「超電子ネットワーク」技術を開発し、リン酸鉄リチウムに優れた電子伝導性を持たせました。負の黒鉛の表面は「高速イオンリング」技術により改質されており、改質された黒鉛は超高速充電と高充電の両方を備えています。エネルギー密度の特性により、急速充電時に負極に過剰な副生成物が現れません。そのため、4〜5Cの急速充電容量を持ち、10〜15分間の急速充電と充電を実現し、システムレベルの70wh / kgを超えるエネルギー密度を保証し、10000サイクル寿命を実現します（この寿命は非常に長いと言えます）。熱管理に関しては、その熱管理システムは、さまざまな温度とSOCでの固定化学システムの「健全な充電範囲」を完全に認識し、リチウム電池の動作温度を大幅に拡大します。

ウォーターマ

ウォーターマは最近あまり良くありません。テクノロジーについて話しましょう。ウォーターストーンは、より小さな粒子サイズのリン酸鉄リチウムを使用しています。現在、市場に出回っているリン酸鉄リチウムの粒度は300〜600 nmであり、Watermaは100〜300 nmのリン酸鉄リチウムのみを使用しているため、リチウムイオンの移動速度が速くなり、より高い電流で充電および放電できます。バッテリー以外のシステムでは、熱管理システムおよびシステムによって設計が強化されます。

マイクロマクロパワー

当初、Weihong Powerは、高電流に耐えることができ、アノード材料としてスピネル構造を持つチタン酸リチウム+多孔質複合カーボンを選択しました。急速充電中のバッテリーの安全性に対する高電力電流の脅威を回避するために、Weihong Powerは、不燃性電解質、高多孔性および高透過性ダイアフラム技術、およびSTLインテリジェント熱制御流体技術と組み合わせて、バッテリーが急速充電。

2017年には、大容量・高出力のマンガン酸リチウム正極材を使用した新世代の高エネルギー密度電池を発売しました。モノマーのエネルギー密度は170wh / kgに達し、寿命と安全性の両方の問題を目指して、15分で急速充電を実現しました。

珠海インロング

チタン酸リチウム負極、広い動作温度範囲、広い充放電率がわかっている、具体的な技術的解決策、明確なデータはありません。ショーのスタッフとの会話では、その急速充電はすでに10℃、平均寿命2万倍を達成できると言われています。

急速充電技術の未来

電気自動車の急速充電技術は、歴史の方向性または過去の垣間見ることです。実際、さまざまな意見があり、結論はありません。走行距離の不安を解決する代わりに、バッテリーのエネルギー密度と全体的な車両コストを備えたプラットフォームで検討されています。

同じバッテリーでのエネルギー密度と急速充電性能は、両方向ではなく、両方向で互換性がないと言えます。現在、バッテリーのエネルギー密度の追求が主流です。エネルギー密度が十分に高く、1台の車の負荷がいわゆる「走行距離の不安」を回避するのに十分な大きさである場合、バッテリーレートの充電性能に対する要求は減少します。同時に、電力は大きく、バッテリー電力のコストが十分に低くない場合、「心配しない」電力のDing Kezhenの購入が必要かどうかは、消費者が選択する必要があります。あなたがそれについて考えるならば、速い充電は価値があるでしょう。もう一つの角度は、昨日言及された急速充電設備のコストであり、それはもちろん社会全体を電化するコストの一部です。

要約すると、急速充電技術を広い地域で推進できるかどうか、エネルギー密度と急速に発展する急速充電技術、コストを削減する2つの技術は、将来の決定的な役割を果たす可能性があります。

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