O que limita a velocidade de carregamento das baterias de íon de lítio?
Em última análise, ainda são materiais e tecnologia. O processo de carregamento total de uma bateria de íon de lítio é que os íons de lítio viajam entre os eletrodos positivo e negativo e realizam a função de carga e descarga da bateria de lítio transportando e liberando elétrons. Isso requer um certo tempo de reação. O carregamento muito rápido causará uma reação anormal da bateria de lítio que produz cristalização e, se a velocidade de carregamento exceder a tolerância da bateria durante o carregamento, aumentará a resistência interna da bateria de lítio, de modo que a bateria ficará perigosamente superaquecida.
Na indústria de baterias, a taxa de carga-descarga é geralmente usada para descrever a relação entre a velocidade de carregamento e a corrente. A taxa quando a bateria está totalmente carregada em 1 hora é chamada de 1C, e a taxa quando leva apenas 30 minutos é chamada de 2C, e assim por diante, mais de 1C pode ser chamada de carregamento rápido. Hoje em dia, a taxa de carregamento das baterias de íons de lítio geralmente pode chegar a 1C-3C, e algumas podem até chegar a 5C. No entanto, em comparação com a taxa de descarga de 10C, ainda é muito pior.
Além do gargalo da taxa máxima de carregamento, a taxa de carregamento que a bateria pode suportar em diferentes SOC (State of Charge) também é diferente. Geralmente, a taxa de carregamento seguirá a lei de lento-rápido-lento, quando o SOC atingir mais de 90%, a resistência interna da bateria aumentará significativamente, o que diminuirá a taxa de carregamento.
Portanto, se você é um usuário de veículo elétrico e deseja economizar o máximo de tempo possível no carregamento, tente não usar a potência abaixo de 10%, e ela não precisa estar totalmente carregada durante o carregamento, 90% ou mais ou energia suficiente para cobrir quilômetros de sua próxima viagem.
Além do gargalo da própria bateria, os dispositivos de carregamento periféricos também têm suas próprias limitações.
Em teoria, a velocidade de carregamento pode ser aumentada aumentando a corrente. No entanto, se a corrente for muito grande, a velocidade de difusão dos íons de lítio dentro da bateria não poderá acompanhar a velocidade de difusão dos elétrons, o que fará com que a operação de íons elétrons fique fora de sincronia, o que afetará o desempenho da bateria, e a capacidade de carga alcançável será reduzida de forma correspondente, existe até mesmo o risco de incêndio e explosão. Portanto, no caso de não ter pressa, recomendamos o uso de carregamento lento, o que é benéfico para prolongar a vida útil da bateria, e as baterias de lítio também são mais seguras. Durante o carregamento, a taxa de difusão de íons de lítio dentro de uma bateria de lítio está intimamente relacionada à temperatura, material do cátodo e estrutura.
Em primeiro lugar, quanto maior a temperatura, mais rápida a velocidade de difusão. No entanto, se a temperatura estiver muito alta, isso também levará a problemas como redução da vida útil da bateria e redução da segurança de carregamento. Se a temperatura estiver muito baixa, o lítio metálico na bateria será depositado, o que causará o curto-circuito interno da bateria, especialmente a bateria LiFePO4. Geralmente, a capacidade da bateria LiFePO4 comum é de apenas cerca de 60-70% a 0 °C e apenas 20-40% a -20 °C. Portanto, no inverno frio do norte, os veículos elétricos devem ter a função de aquecer o módulo da bateria, e o consumo de energia é obviamente mais rápido.
O segundo é o material. A difusividade de diferentes materiais é muito diferente. LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, NCM, NCA, etc. são todos materiais catódicos com bom desempenho.
Princípio básico de funcionamento e estrutura da bateria de íons de lítio
Princípio básico: O eletrodo positivo sofre uma reação de redução para ganhar elétrons; O eletrodo negativo sofre uma reação de oxidação e perde elétrons. Os elétrons passam pela carga e fluem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo, formando uma corrente na direção do eletrodo positivo para o eletrodo negativo.
1 (+1) íon de lítio valente <—— (1-x) (+1/(1-x)) íon de lítio valente + x (+1) íon de lítio valente + x elétrons.
Assumindo x = 0,5, obtemos:
1 (+1) íon de lítio de valência <——0,5 (+2) íon de lítio de valência + 0,5 (+1) íon de lítio de valência + 0,5 elétrons.
Multiplique os dois lados por 2 para obter:
2 (+1) íons de lítio valentes <——1 (+2) íon de lítio valente + 1 (+1) íon de lítio valente + 1 elétron.
Simplificado para obter:
1 (+1) íon de lítio de valência <——1 (+2) íon de lítio de valência + 1 elétron.
Esta fórmula realmente descreve a reação geral, não as reações individuais.
Os átomos de lítio do eletrodo negativo perdem elétrons e são oxidados em (+1) íons de lítio de valência. Os elétrons fluem do eletrodo negativo para o circuito de carga e os íons de lítio fluem para o eletrodo positivo através do eletrólito;
O núcleo do eletrodo positivo é um íon de lítio de valência (+1/(1-x)), e o núcleo do eletrodo negativo é um átomo de lítio, os dois reagem para gerar um átomo de lítio de valência (+1) e o fluxo de elétrons na reação redox forma uma corrente elétrica.
Quando o processo na fabricação de baterias de lítio, as substâncias são sempre necessárias para transportar os íons de lítio do eletrodo positivo e os átomos de lítio do eletrodo negativo, assim como as mercadorias sempre precisam de prateleiras, então a prateleira de íons de lítio são íons de fosfato, que junto com os íons de lítio formam o eletrodo positivo. Os átomos de lítio do eletrodo negativo são compostos de materiais como grafite poroso, o que não fará com que o eletrodo negativo diminua ou mesmo desapareça após a reação. Entre o eletrodo positivo e o eletrodo negativo há um eletrólito e separador, que é usado não apenas para o fluxo de íons de lítio, mas também para isolar os eletrodos positivo e negativo para evitar curtos-circuitos internos.
Características da bateria de íons de lítio
A característica das baterias de íons de lítio com a qual os usuários estão mais preocupados é a capacidade, como 2000mAh, que se refere ao número de cargas que a bateria de íons de lítio pode liberar em condições normais de trabalho.
Vejamos uma folha de especificações de uma bateria de íons de lítio. Os parâmetros mais importantes desta bateria são:
Capacidade: 2000 mAh
Tensão de corte de carga: 4,2 V
Tensão de corte de descarga: 2,5 V
Corrente máxima de carga: 4000 mA
Corrente máxima de descarga: 20000 mA
Em suma, trata-se da capacidade da bateria e do carregamento e descarregamento. A capacidade da bateria depende de quantos elétrons o eletrodo negativo pode liberar e quantos elétrons o eletrodo positivo pode receber.
Por que existe uma tensão de corte de carga?
Em outras palavras, quais são as consequências do carregamento de sobretensão? O eletrodo negativo é composto por átomos de grafite e lítio. Na verdade, o lítio não existe na forma de átomos, mas coexiste com o grafite na forma de íons de lítio. Após o carregamento por sobretensão, os íons de lítio serão precipitados em lítio cristalino e o lítio cristalino não pode participar do carregamento e descarregamento, o que reduzirá a capacidade da bateria.
Por que existe uma tensão de corte de descarga?
Em outras palavras, quais são as consequências da descarga de sobretensão? Após a descarga excessiva, uma grande quantidade de íons de lítio no eletrodo negativo flui para o eletrodo positivo, resultando no esvaziamento do grafite e no colapso de algumas áreas. A área colapsada não pode mais armazenar íons de lítio, o que também reduzirá a capacidade da bateria.
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