Οι λόγοι για τους οποίους οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν μπορούν να φορτιστούν γρήγορα

Για τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία ιόντων λιθίου, η δυσκολία φόρτισης εξακολουθεί να είναι μεγάλο πρόβλημα, επομένως η "γρήγορη φόρτιση" έχει γίνει ένα τέχνασμα για πολλούς κατασκευαστές. Κατά την προσωπική μου άποψη, το πρόβλημα της γρήγορης φόρτισης των μπαταριών λιθίου πρέπει να αναλυθεί από δύο επίπεδα.

Από την άποψη του στοιχείου μπαταρίας, η απόδοση του ρυθμού των μπαταριών ιόντων λιθίου περιορίζεται από τα εγγενή χαρακτηριστικά μετάδοσης του συστήματος συνδυασμού υλικού θετικού ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη/αρνητικού ηλεκτροδίου και, από την άλλη πλευρά, η διαδικασία ηλεκτροδίου και ο σχεδιασμός της δομής της κυψέλης επίσης έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση του επιτοκίου.
Ωστόσο, όσον αφορά την πιο εγγενή αγωγιμότητα του φορέα και τη συμπεριφορά μεταφοράς, οι μπαταρίες λιθίου δεν είναι κατάλληλες για γρήγορη φόρτιση. Η εγγενής αγωγιμότητα και η συμπεριφορά μεταφοράς ενός συστήματος μπαταρίας λιθίου εξαρτάται από πολλούς κύριους παράγοντες, όπως η αγωγιμότητα των θετικών και αρνητικών υλικών ηλεκτροδίων, ο συντελεστής διάχυσης των ιόντων λιθίου και η αγωγιμότητα του οργανικού ηλεκτρολύτη. Με βάση τον ενσωματωμένο μηχανισμό αντίδρασης, ο συντελεστής διάχυσης ιόντων λιθίου σε υλικά θετικών ηλεκτροδίων (ολιβίνη σε μονοδιάστατους διαύλους ιόντων, στρωματοποιημένα υλικά σε δισδιάστατα κανάλια και υλικά θετικών ηλεκτροδίων σπινελίου σε τρισδιάστατα κανάλια) και αρνητικό γραφίτη ηλεκτροδίων τα υλικά ηλεκτροδίων (στρωμένες δομές) είναι γενικά αρκετές τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από τη σταθερά ταχύτητας του ετερογενείς αντιδράσεις οξειδοαναγωγής σε υδατικές δευτερεύουσες μπαταρίες.

 

 

Επιπλέον, η αγωγιμότητα ιόντων των οργανικών ηλεκτρολυτών είναι δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από αυτή των υδατικών δευτερογενών ηλεκτρολυτών της μπαταρίας (ισχυρά οξέα ή βάσεις). Η επιφάνεια αρνητικού ηλεκτροδίου των μπαταριών λιθίου έχει ένα στρώμα φιλμ SEI και στην πραγματικότητα, η απόδοση του ρυθμού των μπαταριών λιθίου ελέγχεται σε μεγάλο βαθμό από τη διάχυση ιόντων λιθίου στο φιλμ SEI. Λόγω της πολύ πιο σοβαρής πόλωσης των ηλεκτροδίων σκόνης σε οργανικούς ηλεκτρολύτες σε σύγκριση με τα υδατικά συστήματα, η επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι επιρρεπής σε καθίζηση λιθίου υπό συνθήκες υψηλής μεγέθυνσης ή χαμηλής θερμοκρασίας, θέτοντας σοβαρούς κινδύνους για την ασφάλεια.
Επιπλέον, υπό συνθήκες φόρτισης υψηλού ρυθμού, το πλέγμα του υλικού του θετικού ηλεκτροδίου είναι επιρρεπές σε βλάβη και το στρώμα γραφίτη του αρνητικού ηλεκτροδίου μπορεί επίσης να καταστραφεί. Αυτοί οι παράγοντες θα επιταχύνουν τη μείωση της χωρητικότητας, επηρεάζοντας έτσι σοβαρά τη διάρκεια ζωής των μπαταριών ισχύος. Επομένως, τα βασικά χαρακτηριστικά των ενσωματωμένων αντιδράσεων καθορίζουν ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν είναι κατάλληλες για φόρτιση υψηλής ταχύτητας. Τα αποτελέσματα της έρευνας επιβεβαίωσαν ότι η διάρκεια ζωής των μεμονωμένων μπαταριών σε λειτουργία γρήγορης φόρτισης και γρήγορης εκφόρτισης θα μειωθεί σημαντικά και η απόδοση της μπαταρίας θα επιδεινωθεί σημαντικά στα μεταγενέστερα στάδια χρήσης.

Φυσικά, ορισμένοι αναγνώστες μπορεί να αναρωτηθούν, μπορούν οι μπαταρίες τιτανικού λιθίου να φορτιστούν και να αποφορτιστούν με υψηλούς ρυθμούς;
Η ταχύτητα απόδοσης του τιτανικού λιθίου μπορεί να εξηγηθεί από την κρυσταλλική δομή και τον συντελεστή διάχυσης ιόντων. Ωστόσο, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών τιτανικού λιθίου είναι πολύ χαμηλή και η χρήση ισχύος τους επιτυγχάνεται θυσιάζοντας την ενεργειακή πυκνότητα, γεγονός που οδηγεί σε υψηλό ενεργειακό κόστος μονάδας των μπαταριών τιτανικού λιθίου. Η χαμηλή σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας καθορίζει ότι οι μπαταρίες τιτανικού λιθίου δεν μπορούν να γίνουν το κύριο ρεύμα ανάπτυξης μπαταριών λιθίου. Μάλιστα, η υποτονική τάση των πωλήσεων των μπαταριών Toshiba SCiB στην Ιαπωνία τα τελευταία χρόνια έχει ήδη δείξει το πρόβλημα.
Σε επίπεδο κυψέλης, η απόδοση του ρυθμού μπορεί να βελτιωθεί από την προοπτική της διαδικασίας ηλεκτροδίων και του σχεδιασμού της δομής της κυψέλης, όπως το να γίνουν τα ηλεκτρόδια λεπτότερα ή να αυξηθεί η αναλογία των αγώγιμων παραγόντων, που χρησιμοποιούνται συνήθως τεχνικά μέσα. Ακόμη χειρότερα, ορισμένοι κατασκευαστές έχουν καταφύγει σε ακραίες μεθόδους, όπως η αφαίρεση θερμίστορ από τις κυψέλες της μπαταρίας και η πάχυνση του συλλέκτη ρεύματος. Στην πραγματικότητα, πολλές εγχώριες εταιρείες μπαταριών ισχύος θεωρούν τα δεδομένα υψηλής ταχύτητας της μπαταρίας ισχύος LFP στους 30 C ή ακόμα και στους 50 C ως τεχνολογικό χαρακτηριστικό.
Αυτό που θέλει να επισημάνει ο συγγραφέας εδώ είναι ότι ως μέθοδος δοκιμής, είναι κατανοητό, αλλά το κλειδί είναι ποιες αλλαγές έχουν συμβεί μέσα στην κυψέλη της μπαταρίας. Η μακροχρόνια φόρτιση και εκφόρτιση υψηλής μεγέθυνσης μπορεί να έχει βλάψει τη δομή των θετικών και αρνητικών υλικών ηλεκτροδίων και το λίθιο έχει ήδη κατακρημνιστεί από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Αυτά τα ζητήματα απαιτούν τη χρήση ορισμένων μεθόδων επιτόπιας ανίχνευσης (όπως SEM, XRD και περίθλαση νετρονίων) για αποσαφήνιση. Δυστυχώς, δεν υπάρχουν σχεδόν καμία αναφορά για την εφαρμογή αυτών των μεθόδων επιτόπιας ανίχνευσης σε εγχώριες εταιρείες μπαταριών.
Ο συγγραφέας υπενθυμίζει επίσης στους αναγνώστες να δώσουν προσοχή στη διαφορά μεταξύ των διαδικασιών φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου. Σε αντίθεση με τη διαδικασία φόρτισης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν προκαλούν τόσο σοβαρή ζημιά στην μπαταρία όταν αποφορτίζονται με υψηλότερο ρυθμό (κάνοντας εξωτερική εργασία) όσο η γρήγορη φόρτιση, η οποία είναι παρόμοια με άλλες δευτερεύουσες μπαταρίες με βάση το νερό. Ωστόσο, για την πρακτική χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων, η ζήτηση για φόρτιση υψηλής ταχύτητας (γρήγορη φόρτιση) είναι αναμφίβολα πιο επείγουσα από την εκφόρτιση υψηλού ρεύματος.

Στο επίπεδο της μπαταρίας, η κατάσταση θα γίνει πιο περίπλοκη. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, η τάση και το ρεύμα φόρτισης διαφορετικών μεμονωμένων μπαταριών δεν είναι συνεπή, γεγονός που αναπόφευκτα θα έχει ως αποτέλεσμα ο χρόνος φόρτισης της μπαταρίας ισχύος να υπερβεί εκείνον της μεμονωμένης μπαταρίας. Αυτό σημαίνει ότι αν και η συμβατική τεχνολογία φόρτισης μπορεί επίσης να φορτίσει μια μπαταρία στο μισό της χωρητικότητάς της σε 30 λεπτά, η μπαταρία σίγουρα θα ξεπεράσει αυτόν τον χρόνο, πράγμα που σε κάποιο βαθμό σημαίνει ότι τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας γρήγορης φόρτισης δεν είναι πολύ εμφανή.
Επιπλέον, κατά τη χρήση (εκφόρτιση) μπαταριών ιόντων λιθίου, η κατανάλωση της χωρητικότητάς τους δεν σχετίζεται γραμμικά με το χρόνο εκφόρτισης, αλλά μάλλον μειώνεται γρήγορα με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, εάν ένα συγκεκριμένο ηλεκτρικό αυτοκίνητο έχει εμβέλεια οδήγησης πλήρους φόρτισης 200 χιλιομέτρων, τότε αφού έχει διανύσει 100 χιλιόμετρα κανονικά, η μπαταρία ισχύος μπορεί να εξακολουθεί να έχει το 80% της χωρητικότητάς της. Όταν η χωρητικότητα της μπαταρίας παραμένει στο 50%, το ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί να διανύσει μόνο 50 χιλιόμετρα.
Το χαρακτηριστικό των μπαταριών ιόντων λιθίου μας λέει ότι η φόρτιση μόνο του μισού ή του 80% της μπαταρίας είναι εντελώς ανεπαρκής για να καλύψει τις πραγματικές ανάγκες χρήσης των ηλεκτρικών οχημάτων. Για παράδειγμα, η ευρέως προωθούμενη τεχνολογία γρήγορης φόρτισης της Tesla, κατά τη γνώμη μου, είναι στην πραγματικότητα ένα τέχνασμα παρά ένα πρακτικό. Επιπλέον, η γρήγορη φόρτιση θα επιδεινώσει σοβαρά τη διάρκεια ζωής και την απόδοση της μπαταρίας και θα δημιουργήσει κινδύνους για την ασφάλεια.
Δεδομένου ότι οι μπαταρίες λιθίου δεν είναι εγγενώς κατάλληλες για γρήγορη φόρτιση, θεωρητικά, η λειτουργία εναλλαγής μπαταριών μπορεί να αντισταθμίσει τις ελλείψεις τους στη γρήγορη φόρτιση. Αν και ο σχεδιασμός της μπαταρίας ισχύος ως τύπου plug-in μπορεί να προκαλέσει προβλήματα δομικής αντοχής και προβλήματα ηλεκτρικής μόνωσης για ολόκληρο το όχημα, καθώς και σούπερ προκλήσεις των προτύπων και δικαιολογιών της μπαταρίας, προσωπικά πιστεύω ότι αυτή η λειτουργία είναι μια τεχνικά εφικτή λύση (μόνο σε τεχνικό επίπεδο) για την επίλυση του προβλήματος της γρήγορης φόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου.
Κατά τη γνώμη του συγγραφέα, ο λόγος για τον οποίο το «μοντέλο ενοικίασης μπαταριών+ανταλλαγής μπαταριών» δεν έχει επιτυχημένο προηγούμενο σε παγκόσμια κλίμακα δεν οφείλεται μόνο στις καταναλωτικές συνήθειες (οι ιδιοκτήτες αυτοκινήτων πιστεύουν ότι οι μπαταρίες, όπως και τα αυτοκίνητα, είναι ιδιωτική τους ιδιοκτησία), αλλά και λόγω της τεράστιας κατανομής των πλεονεκτημάτων που κρύβονται πίσω από τα τεχνικά πρότυπα. Σε δυτικές χώρες με έντονο προσανατολισμό στην αγορά, η δυσκολία επίλυσης αυτού του προβλήματος είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στην Κίνα. Κατά την προσωπική μου γνώμη, η λειτουργία αλλαγής μπαταρίας μπορεί να έχει σημαντικές δυνατότητες ανάπτυξης στους τομείς όπου αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα, όπως λεωφορεία και ταξί, χρησιμοποιούνται κυρίως στην Κίνα στο μέλλον.