هر نوع باتری لیتیومی دارای مقدار جریان شارژ بهینه تحت پارامترهای حالت و محیطی مختلف است. بنابراین، از منظر ساختار باتری، چه عواملی بر این مقدار شارژ بهینه تأثیر می گذارد.
فرآیند شارژ میکرو
باتریهای لیتیومی به عنوان باتریهای «صندلی گهوارهای» شناخته میشوند، که در آن یونهای باردار بین الکترودهای مثبت و منفی حرکت میکنند و انتقال بار را تکمیل میکنند و برق را به مدارهای خارجی میرسانند یا از منابع خارجی شارژ میکنند. در طی فرآیند شارژ دقیق، یک ولتاژ خارجی به قطب شمال و جنوب باتری اعمال میشود و یونهای لیتیوم از دادههای الکترود مثبت جدا میشوند و وارد الکترولیت میشوند. الکترون های اضافی با هم تولید می شوند تا از کلکتور جریان الکترود مثبت عبور کنند و از طریق یک مدار خارجی به سمت الکترود منفی حرکت کنند. یون های لیتیوم از الکترود مثبت به الکترود منفی در الکترولیت حرکت می کنند، از موانع عبور می کنند و به الکترود منفی می رسند. فیلم SEI را روی سطح الکترود منفی در ساختار لایه ای گرافیت الکترود منفی قرار دهید و با الکترون ها ترکیب کنید.
ساختار باتری که بر انتقال بار در طول عملیات یونها و الکترونها، اعم از الکتروشیمیایی یا فیزیکی تأثیر میگذارد، بر عملکرد شارژ سریع تأثیر میگذارد.
شارژ سریع، مورد نیاز برای قسمت های مختلف باتری
در مورد باتری ها، اگر بخواهیم بازده انرژی آنها را افزایش دهیم، باید در تمام جنبه های باتری از جمله الکترود مثبت، الکترود منفی، الکترولیت، موانع و برنامه ریزی سازه سخت کار کنیم.
الکترود مثبت
در واقع، تقریباً از همه انواع مواد الکترود مثبت می توان برای ساخت باتری های شارژ سریع استفاده کرد. عملکردهای اولیه ای که باید تضمین شوند عبارتند از رسانایی (کاهش مقاومت داخلی)، پراکندگی (تضمین دینامیک واکنش)، طول عمر (بدون توضیح)، ایمنی (بدون توضیح)، و عملکردهای پردازش مناسب (نه خیلی بزرگ از سطح، کاهش واکنش های جانبی، و ایمنی خدمات).
البته ممکن است در موضوعاتی که باید برای هر نوع اطلاعات دقیق به آن پرداخته شود تفاوت هایی وجود داشته باشد، اما داده های الکترود مثبت مشترک ما می توانند از طریق یک سری بهینه سازی با این الزامات برآورده شوند، اما مواد مختلف نیز تفاوت هایی دارند:
الف. فسفات آهن لیتیوم ممکن است بیشتر بر روی مسائل مربوط به هدایت و دمای پایین متمرکز باشد. پوشش کربن، نانوماده سازی متوسط (توجه داشته باشید، متوسط است، قطعاً منطق ساده بهتر بودن ذرات ریز نیست)، و پردازش سطح ذرات برای تشکیل رسانای یونی معمولی ترین استراتژی ها هستند.
ب- رسانایی خود داده های سه تایی در حال حاضر نسبتاً خوب است، اما فعالیت پاسخ دهی آن بسیار زیاد است، بنابراین به ندرت پیش می آید که داده های سه تایی تحت عملیات نانومواد قرار گیرند (نانومواد نوشدارویی برای پیشرفت عملکردهای داده نیست، به ویژه در زمینه باتری، گاهی اوقات اثرات نامطلوب زیادی وجود دارد). تاکید بیشتر بر ایمنی و سرکوب عوارض جانبی (و الکترولیت) است، از این گذشته، ایمنی در حال حاضر راه نجات اصلی داده های سه گانه است، وقوع مکرر اخیر حوادث ایمنی باتری نیز الزامات بالاتری را در این زمینه مطرح کرده است.
ج- اکسید لیتیوم منگنز از نظر طول عمر اهمیت بیشتری دارد و همچنین در حال حاضر تعداد زیادی باتری شارژ سریع از سری اکسید منگنز لیتیوم در بازار وجود دارد.
قطب منفی
هنگام شارژ باتری لیتیوم یونی، لیتیوم به سمت الکترود منفی حرکت می کند. پتانسیل بالای ناشی از جریان بالای شارژ سریع منجر به پتانسیل منفی منفی الکترود منفی می شود. در این لحظه فشار الکترود منفی برای پذیرش سریع لیتیوم افزایش می یابد و تمایل به تولید دندریت های لیتیوم افزایش می یابد. بنابراین، در طول شارژ سریع، الکترود منفی نه تنها نیاز به پاسخگویی به الزامات دینامیکی پراکندگی لیتیوم دارد، بلکه باید با مسائل ایمنی ناشی از افزایش تمایل به تولید دندریت های لیتیوم نیز مقابله کند. بنابراین، مشکل فنی اولیه هسته های شارژ سریع، تعبیه یون های لیتیوم در الکترود منفی است.
الف. ماده الکترود منفی غالب در بازار فعلی همچنان گرافیت است (حدود 90 درصد از سهم بازار را به خود اختصاص می دهد)، بدون هیچ دلیل اساسی دیگر - هزینه پایین، عملکرد عالی پردازش و چگالی انرژی گرافیت، و عیوب نسبتاً کمی. البته در آند گرافیت نیز مشکلاتی وجود دارد. ظاهر آن نسبت به الکترولیت حساس تر است و واکنش جاسازی لیتیوم دارای جهت گیری قوی است. بنابراین، اولین جهتی که باید تلاش کرد، درمان سطح گرافیت، بهبود پایداری ساختاری آن و ترویج پراکندگی یونهای لیتیوم بر روی پایه است.
ب. در سالهای اخیر، پیشرفتهای زیادی در کربن سخت و مواد کربن نرم صورت گرفته است: مواد کربن سخت دارای پتانسیل میانافزایی لیتیومی بالایی هستند و ریز منافذ در دادهها وجود دارد که آنها را در دینامیک پاسخ برجسته میکند. مواد کربنی نرم سازگاری خوبی با الکترولیت ها دارند و مواد MCMB نیز بسیار معرف هستند. با این حال، مواد کربن سخت و نرم دارای قدرت کم و هزینه بالا هستند (و ممکن است از دیدگاه صنعتی انتظار نداشته باشیم که به اندازه گرافیت ارزان باشد)، بنابراین استفاده فعلی به مراتب کمتر از گرافیت است و بیشتر در برخی از باتریهای خاص استفاده میشود.
ج. لیتیوم تیتانات چطور؟ به عبارت ساده، قدرت لیتیوم تیتانات چگالی توان بالا، ایمنی، عیوب قابل توجه، چگالی انرژی کم و هزینه بالا از نظر Wh است. بنابراین مفهوم باتری های لیتیوم تیتانات مهارت مفیدی است که در شرایط خاص دارای مزایایی است، اما برای بسیاری از زمینه هایی که نیاز به هزینه و برد بالا دارند مناسب نیست.
D. مواد الکترود منفی سیلیکون یک جهت توسعه مهم هستند، و باتری جدید 18650 پاناسونیک اکنون فرآیند تجاری چنین موادی را آغاز کرده است. با این حال، دستیابی به تعادل بین پیگیری عملکرد در فناوری نانو و نیازهای سطح میکرون عمومی صنعت باتری برای داده ها هنوز یک کار چالش برانگیز برای Ruan است.