リチウム電池の急速充電

この図を借りて、バッテリーの充電プロセスを説明します。横軸は時間、縦軸は電圧です。リチウム電池の充電の最初に小さな電流のプリチャージプロセスがあります。つまり、CCプリチャージです。その目的は、正と負の材料を安定させることです。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CC高速充電に調整できます。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、4.2Vに達したことを検知して定電圧充電モードを開始し、充電電流を徐々に減らし、一定値以下になると充電を終了します。

プロセス全体で、バッテリーごとに標準の充電電流が異なります。たとえば、3C製品のバッテリー標準は通常0.1C〜0.5Cで、高出力パワーバッテリーの標準充電は通常1Cです。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、通常の急速充電は、標準の充電電流よりも数倍から数十倍高い充電電流を指します。

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。 GG＃39;は速く、ビールで満たされますが、泡がたくさんあります。注ぐのはゆっくりですが、ビールはたくさんあり、とてもリアルです。急速充電は充電時間を節約しますが、バッテリー自体に大きな損傷を引き起こします。バッテリーの分極現象により、バッテリーが受け入れることができる最大充電電流は、充放電サイクルの増加に伴って減少します。充電を続け、充電電流が大きいと、電極のイオン濃度が高くなり、分極が大きくなります。端子電圧は、充電電力/エネルギーに直接線形比例することはできません。同時に、大電流で充電すると、内部抵抗の増加によりジュール発熱効果（Q=I2Rt）が増加し、電解質の反応分解、ガス生成、一連の問題などの副反応を引き起こします。危険因子が突然増加し、バッテリーの安全性に影響を与えます。影響により、非電源バッテリーの寿命は必然的に大幅に短縮されます。

01正極材

リチウム電池の急速充電のプロセスは、正極材料中のLi +が負極に急速に移動するプロセスです。正極材料の粒径は、電池の電気化学プロセスの応答時間、イオンの拡散経路などに影響を与える可能性があります。研究によれば、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大きくなります。ただし、材料の粒子サイズが小さくなると、パルプの製造時に深刻な粒子の凝集が起こり、不均一な分散が生じます。同時に、ナノ粒子は、極片の圧縮密度を低下させ、充放電プロセス中に電解質と接触します。面積が増加し、副反応がバッテリーの性能に影響します。

より信頼できる方法は、正極材料をコーティングして修正することです。たとえば、LFP自体の導電率はあまり良くありません。表面を炭素材料または他の材料でコーティングした後、その導電率を向上させることができます。これは、バッテリーの高速充電を向上させるのに役立ちます。パフォーマンス。

02アノード材

リチウム電池の急速充電は、リチウムイオンがすばやく抽出されることを意味します。負極に。このとき、負極材料にはリチウムを素早く挿入できる能力が必要です。リチウム電池の急速充電に使用されるアノード材料には、炭素材料、チタン酸リチウム、その他の新しい材料が含まれます。

炭素材料の場合、リチウム挿入の可能性はリチウム析出の可能性と同様であるため、従来の充電の場合、リチウムイオンは一般的にグラファイトに優先的に挿入されますが、急速充電または低温条件下では、リチウムイオンが樹枝状リチウムを形成する表面。デンドライトリチウムはSEIに突き刺さり、Li +の二次損失を引き起こし、バッテリー容量を減らします。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まで成長し、バッテリーを短絡させる危険があります。

LTOの場合、これはGGクォートです。ゼロひずみGGクォートです。酸素含有の負極材料は、バッテリーの動作時にSEIを生成せず、リチウムイオンとの結合容量が強く、高速充電と高速放電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するため、副反応の発生が促進されます。 LTOバッテリーのガス生成の問題は、長い間解決することはできず、表面改質によってのみ解決できます。

03電極液

前述のように、急速充電中のリチウムイオンの移動速度と電子透過率の不一致により、バッテリーの分極が大きくなります。したがって、電池の分極によって引き起こされ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研究開発の方向になります。1.高解離度の電解質塩。 2.溶媒再結合-より低い粘度; 3.制御膜のインピーダンスを下げる。

04生産技術と急速充電の関係

以前は、急速充電の要件と影響は、正と負の電極材料や電極液などの3つの主要材料から分析されていました。以下は、比較的大きな影響を与えるプロセス設計です。バッテリー製造プロセスパラメーターは、バッテリーがアクティブ化される前後に、バッテリーのさまざまな部分のリチウムイオンの移動抵抗に直接影響するため、バッテリー製造プロセスパラメーターは、リチウムイオンバッテリーの性能に重要な影響を与えます。

（1）スラリー

スラリーの特性に関して、一つの側面は、導電剤の均一な分散を維持することである。導電剤が活物質粒子間に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の間に比較的均一な導電ネットワークを形成でき、微小電流を収集し、接触抵抗を低減し、電子の速度。 。他の側面は、導電剤の過剰分散を防ぐことである。充放電プロセス中に、正と負の材料の結晶構造が変化し、導電剤が剥がれ、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）極片面密度

理論的には、レート型バッテリーと大容量バッテリーは両方を持つことはできません。正と負の極片の面密度が低い場合、リチウムイオンの拡散率を上げることができ、イオンの抵抗と電子の移動を減らすことができます。面密度が低いほど、磁極片は薄くなり、充電中および放電中のリチウムイオンの連続的な挿入と抽出によって引き起こされる磁極片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、電池のエネルギー密度が低下し、コストが高くなるため、面密度を総合的に検討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充電と1C放電の例です。

（3）ポールピースコーティングの一貫性

友人が前に尋ねました、極の不均一な表面密度はバッテリーに影響しますか？ちなみに、急速充電性能は主にマイナス極のコンシステンシーです。負極の面密度にばらつきがあると、圧延後の活物質の内部気孔率が大きく異なります。多孔度の違いは、内部電流分布の違いを引き起こし、バッテリー形成段階でのSEIの形成とパフォーマンスに影響を与え、最終的にはバッテリーの高速充電パフォーマンスに影響を与えます。

（4）ポールピースの締固め密度

なぜポールピースをコンパクトにする必要があるのですか？ 1つはバッテリーの比エネルギーを増やすことであり、もう1つはバッテリーのパフォーマンスを改善することです。電極材料が異なれば、最適な圧縮密度も異なります。圧縮密度を上げると、電極の極片の多孔度が小さくなり、粒子間の結合が密になり、同じ面密度での極片の厚さが小さくなり、リチウムイオンの移動経路が減少します。締固め密度が高すぎると、電解液浸透効果が悪く、材料構造や導電剤の分布を損なうことがあり、巻回不良が発生しやすくなる。同じことが、コバルト酸リチウム電池1C放電の6C充電であり、圧縮比密度の放電比容量への影響は次のとおりです。

05化学老化など

カーボンアノードバッテリーの場合、フォーミングエージングは​​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の品質に影響します。 SEIの不均一な厚さまたは不安定な構造は、バッテリーの高速充電容量とサイクル寿命に影響を与えます。

上記のいくつかの重要な要素に加えて、セルの生産と充放電システムは、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ため、バッテリーの充電率を適度に下げる必要があります。さもなければ、分極が増加します。

結論

リチウム電池の急速な充電と放電の本質は、リチウムイオンが正と負の材料の間ですばやく抽出できることです。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。正極および負極材料の構造的安定性は、急速なリチウム除去プロセス中に構造的な崩壊を引き起こさず、リチウムイオンは材料内でより速く拡散して、高電流充電に耐えます。イオン移動速度と電子透過率の不一致により、充電中と放電中に分極が発生します。リチウム金属の析出を防ぎ、寿命に影響を与える容量を減らすには、分極をできる限り減らす必要があります。