Причини, чому літій-іонні акумулятори не можуть швидко зарядитися

Для електромобілів з літій-іонними акумуляторами труднощі із зарядкою все ще є великою проблемою, тому «швидка зарядка» стала трюком для багатьох виробників. На мою особисту думку, проблему швидкої зарядки літієвих акумуляторів потрібно аналізувати з двох рівнів.

З точки зору елемента батареї, продуктивність літій-іонних акумуляторів обмежена властивими характеристиками передачі системи комбінованого матеріалу позитивний електрод/електроліт/негативний електрод, а з іншого боку, електродний процес і конструкція структури елемента також мають значний вплив на продуктивність курсу.
Однак, з точки зору найбільш властивої провідності носія та транспортної поведінки, літієві батареї не підходять для швидкого заряджання. Власна провідність і транспортна поведінка системи літієвої батареї залежить від кількох основних факторів, включаючи провідність матеріалів позитивного та негативного електродів, коефіцієнт дифузії іонів літію та провідність органічного електроліту. Базуючись на вбудованому механізмі реакції, коефіцієнт дифузії іонів літію в матеріалах позитивного електрода (олівін в одновимірних іонних каналах, шаруваті матеріали в двовимірних каналах і шпінельні позитивні електродні матеріали в тривимірних каналах) і негативний електрод графіт негативний електродних матеріалів (шаруваті структури), як правило, на кілька порядків нижче, ніж константа швидкості гетерогенних окисно-відновні реакції у водних вторинних батареях.

 

 

Крім того, іонна провідність органічних електролітів на два порядки нижча, ніж у водних вторинних електролітів (сильних кислот або лугів). Поверхня негативного електрода літієвих батарей має шар плівки SEI, і фактично швидкість роботи літієвих батарей значною мірою контролюється дифузією іонів літію в плівці SEI. Через набагато сильнішу поляризацію порошкових електродів в органічних електролітах порівняно з водними системами, поверхня негативного електрода схильна до випадання літію під великим збільшенням або в умовах низької температури, що створює серйозну загрозу безпеці.
Крім того, за умов високої швидкості заряджання решітка матеріалу позитивного електрода схильна до пошкодження, а графітовий шар негативного електрода також може бути пошкоджений. Ці фактори прискорять зниження ємності, тим самим серйозно впливаючи на термін служби акумуляторів. Таким чином, основні характеристики вбудованих реакцій визначають, що літій-іонні батареї не підходять для високошвидкісного заряджання. Результати дослідження підтвердили, що термін служби окремих акумуляторів у режимі швидкого заряджання та швидкого розряджання значно зменшується, а продуктивність акумулятора значно погіршується на пізніх етапах використання.

Звичайно, деякі читачі можуть запитати, чи можна літій-титанатні акумулятори заряджати та розряджати з високою швидкістю?
Швидкість титанату літію можна пояснити його кристалічною структурою та коефіцієнтом дифузії іонів. Однак щільність енергії літій-титанатних батарей дуже низька, і їх енергоспоживання досягається шляхом принесення в жертву щільності енергії, що призводить до високої одиничної вартості енергії для літій-титанатних батарей. Низька економічна ефективність визначає те, що літій-титанатні батареї не можуть стати основним напрямком розробки літієвих батарей. Насправді тенденція повільного продажу акумуляторів Toshiba SCiB в Японії в останні роки вже показала проблему.
На рівні комірки продуктивність можна підвищити з точки зору електродного процесу та дизайну коміркової структури, наприклад, зробити електроди тоншими або збільшити частку провідних агентів, які зазвичай використовуються технічні засоби. Що ще гірше, деякі виробники вдалися до екстремальних методів, таких як видалення термісторів з елементів акумулятора та потовщення струмоприймача. Насправді багато вітчизняних компаній, що займаються виробництвом акумуляторних батарей, вважають дані про високі показники потужності акумуляторів LFP при 30 або навіть 50 °C технологічною перевагою.
Автор хоче зазначити, що як метод тестування це зрозуміло, але ключовим є те, які зміни відбулися всередині елемента батареї. Тривале заряджання та розряджання під великим збільшенням могло пошкодити структуру матеріалів позитивного та негативного електродів, і літій уже випав з негативного електрода. Ці проблеми вимагають використання деяких методів виявлення на місці (таких як SEM, XRD та дифракція нейтронів) для роз’яснення. На жаль, звітів про застосування цих методів виявлення на місці на вітчизняних акумуляторних підприємствах майже немає.
Автор також нагадує читачам звернути увагу на різницю між процесами зарядки та розрядки літій-іонних акумуляторів. На відміну від процесу заряджання, літій-іонні батареї не спричиняють такого серйозного пошкодження батареї, коли розряджаються з більшою швидкістю (виконуючи зовнішню роботу), як швидка зарядка, яка подібна до інших вторинних батарей на водній основі. Однак для практичного використання електромобілів потреба у високошвидкісній зарядці (швидкій зарядці), безсумнівно, є більш актуальною, ніж розряд високого струму.

На рівні акумуляторної батареї ситуація ускладниться. Під час процесу заряджання зарядна напруга та струм різних окремих акумуляторів не є узгодженими, що неминуче спричинить перевищення часу заряджання окремого акумулятора. Це означає, що хоча звичайна технологія заряджання також може зарядити одну батарею до половини її ємності за 30 хвилин, акумуляторна батарея точно перевищить цей час, що певною мірою означає, що переваги технології швидкої зарядки не дуже очевидні.
Крім того, під час використання (розряду) літій-іонних акумуляторів споживання їх ємності не залежить лінійно від часу розряду, а навпаки, швидко зменшується з часом. Наприклад, якщо певний електромобіль має запас ходу на повному заряді 200 кілометрів, то після того, як він проїде 100 кілометрів у звичайному режимі, акумулятор може мати 80% своєї ємності. Коли ємність акумулятора залишається на рівні 50%, електромобіль може проїхати лише 50 кілометрів.
Характеристика літій-іонних акумуляторів говорить нам про те, що заряджати лише половину або 80% потужності акумулятора абсолютно недостатньо для задоволення фактичних потреб використання електромобілів. Наприклад, широко розкручена технологія швидкої зарядки Tesla, на мою думку, насправді є трюком, а не практичним. Крім того, швидке заряджання серйозно погіршить термін служби акумулятора та продуктивність, а також створить загрозу безпеці.
Оскільки літієві батареї за своєю суттю не підходять для швидкої зарядки, теоретично режим заміни батареї може компенсувати їхні недоліки у швидкій зарядці. Незважаючи на те, що розробка батареї живлення як підключеного типу може спричинити проблеми з міцністю конструкції та проблеми з електричною ізоляцією всього автомобіля, а також надзвичайні проблеми зі стандартами акумулятора та виправданнями, я особисто вважаю, що цей режим є технічно можливим рішенням (тільки на технічному рівні) для вирішення проблеми швидкої зарядки літій-іонних акумуляторів.
На думку автора, причиною того, що модель «оренда акумуляторів+заміна акумуляторів» не має успішного прецеденту в глобальному масштабі, є не лише споживчі звички (автовласники вважають, що акумулятори, як і автомобілі, є їхньою приватною власністю), а й через величезний розподіл переваг, прихованих за технічними стандартами. У високоринково орієнтованих західних країнах вирішення цієї проблеми набагато складніше, ніж у Китаї. На мій особистий погляд, режим заміни батарей може мати значний потенціал розвитку в сферах, де в Китаї в майбутньому в основному використовуються чисто електричні транспортні засоби, такі як автобуси та таксі.