Razlogi, zakaj litij-ionskih baterij ni mogoče hitro napolniti

Pri čisto električnih vozilih z litij-ionsko baterijo je težava pri polnjenju še vedno velik problem, zato je "hitro polnjenje" za mnoge proizvajalce postalo trik. Po mojem osebnem mnenju je treba problem hitrega polnjenja litijevih baterij analizirati z dveh ravni.

Z vidika baterijske celice je zmogljivost hitrosti litij-ionskih baterij omejena z intrinzičnimi prenosnimi značilnostmi sistema kombinacije materialov pozitivne elektrode/elektrolita/negativne elektrode, po drugi strani pa tudi proces elektrode in zasnova celične strukture. pomembno vplivajo na učinkovitost hitrosti.
Vendar glede na najbolj notranjo prevodnost nosilca in transportno obnašanje litijeve baterije niso primerne za hitro polnjenje. Notranja prevodnost nosilca in transportno obnašanje sistema litijevih baterij je odvisna od več glavnih dejavnikov, vključno s prevodnostjo materialov pozitivne in negativne elektrode, difuzijskim koeficientom litijevih ionov in prevodnostjo organskega elektrolita. Na podlagi vgrajenega reakcijskega mehanizma difuzijski koeficient litijevih ionov v materialih pozitivnih elektrod (olivin v enodimenzionalnih ionskih kanalih, večplastni materiali v dvodimenzionalnih kanalih in materiali spinelnih pozitivnih elektrod v tridimenzionalnih kanalih) in negativni grafitni negativni elektrodi elektrodnih materialov (plastne strukture) je na splošno za nekaj velikostnih redov nižja od konstante hitrosti heterogenih redoks reakcije v vodnih sekundarnih baterijah.

 

 

Poleg tega je ionska prevodnost organskih elektrolitov dva reda velikosti manjša kot prevodnost vodnih sekundarnih baterijskih elektrolitov (močne kisline ali baze). Površina negativne elektrode litijevih baterij ima plast filma SEI in dejansko je hitrost delovanja litijevih baterij v veliki meri nadzorovana z difuzijo litijevih ionov v filmu SEI. Zaradi veliko hujše polarizacije praškastih elektrod v organskih elektrolitih v primerjavi z vodnimi sistemi je površina negativne elektrode nagnjena k obarjanju litija pri veliki povečavi ali nizkih temperaturah, kar predstavlja resno nevarnost za varnost.
Poleg tega je v pogojih visoke hitrosti polnjenja rešetka materiala pozitivne elektrode nagnjena k poškodbam, poškoduje pa se lahko tudi grafitna plast negativne elektrode. Ti dejavniki bodo pospešili upadanje zmogljivosti in s tem resno vplivali na življenjsko dobo električnih baterij. Zato bistvene značilnosti vgrajenih reakcij določajo, da litij-ionske baterije niso primerne za visoko hitrost polnjenja. Rezultati raziskave so potrdili, da se bo življenjska doba posameznih baterij v načinu hitrega polnjenja in hitrega praznjenja znatno zmanjšala, zmogljivost baterije pa se bo v poznejših fazah uporabe znatno poslabšala.

Seveda se lahko nekateri bralci vprašajo, ali je mogoče litijeve titanatne baterije polniti in prazniti z visoko hitrostjo?
Hitrost delovanja litijevega titanata je mogoče pojasniti z njegovo kristalno strukturo in ionskim difuzijskim koeficientom. Vendar pa je gostota energije litij-titanatnih baterij zelo nizka, njihova poraba energije pa se doseže z žrtvovanjem energijske gostote, kar vodi do visokih stroškov energije na enoto litij-titanatnih baterij. Nizka stroškovna učinkovitost določa, da litijeve titanatne baterije ne morejo postati glavni tok razvoja litijevih baterij. Pravzaprav je počasen trend prodaje baterij Toshiba SCiB na Japonskem v zadnjih letih že pokazal težavo.
Na ravni celice je mogoče izboljšati zmogljivost hitrosti z vidika elektrodnega procesa in oblikovanja celične strukture, kot je tanjšanje elektrod ali povečanje deleža prevodnih sredstev, ki so običajno uporabljena tehnična sredstva. Še huje, nekateri proizvajalci so se zatekli k ekstremnim metodam, kot je odstranjevanje termistorjev iz baterijskih celic in odebelitev odjemnika toka. Pravzaprav mnoga domača podjetja za napajalne baterije svoje podatke o visoki hitrosti napajalne baterije LFP pri 30 C ali celo 50 C obravnavajo kot tehnološki vrhunec.
Avtor želi tukaj poudariti, da je kot metoda testiranja razumljiva, ključno pa je, kakšne spremembe so se zgodile znotraj baterijske celice. Dolgotrajno polnjenje in praznjenje z veliko povečavo je morda poškodovalo strukturo materialov pozitivne in negativne elektrode, litij pa se je že izločil iz negativne elektrode. Za razjasnitev teh težav je potrebna uporaba nekaterih metod odkrivanja na kraju samem (kot so SEM, XRD in nevtronska difrakcija). Na žalost skorajda ni poročil o uporabi teh metod odkrivanja in situ v domačih baterijskih podjetjih.
Avtor tudi opozarja bralce, naj bodo pozorni na razliko med procesoma polnjenja in praznjenja litij-ionskih baterij. V nasprotju s postopkom polnjenja litij-ionske baterije ne povzročajo tako resne škode na bateriji, ko se izpraznijo pri višji hitrosti (opravljanje zunanjega dela), kot hitro polnjenje, ki je podobno drugim sekundarnim baterijam na vodni osnovi. Vendar pa je za praktično uporabo električnih vozil zahteva po visokem polnjenju (hitrem polnjenju) nedvomno bolj nujna kot praznjenje visokega toka.

Na ravni baterijskega paketa bo situacija postala bolj zapletena. Med postopkom polnjenja polnilna napetost in tok različnih posameznih baterij nista dosledna, kar bo neizogibno povzročilo, da bo čas polnjenja napajalne baterije presegel čas polnjenja posamezne baterije. To pomeni, da čeprav lahko običajna polnilna tehnologija napolni eno samo baterijo do polovice njene zmogljivosti v 30 minutah, bo baterijski sklop zagotovo presegel ta čas, kar do neke mere pomeni, da prednosti tehnologije hitrega polnjenja niso preveč očitne.
Poleg tega med uporabo (praznjenjem) litij-ionskih baterij poraba njihove kapacitete ni linearno povezana s časom praznjenja, temveč se s časom hitro zmanjšuje. Na primer, če ima določen električni avtomobil doseg 200 kilometrov s polnim polnjenjem, ima lahko baterija po tem, ko normalno prevozi 100 kilometrov, še vedno 80 % svoje zmogljivosti. Ko je zmogljivost baterije 50-odstotna, lahko električni avtomobil prevozi le 50 kilometrov.
Značilnosti litij-ionskih baterij nam povedo, da polnjenje le polovice ali 80 % napajalne baterije popolnoma ne zadostuje za dejanske potrebe uporabe električnih vozil. Na primer, Teslina široko promovirana tehnologija hitrega polnjenja je po mojem mnenju pravzaprav trik in ne praktična. Poleg tega bo hitro polnjenje resno poslabšalo življenjsko dobo in zmogljivost baterije ter povzročilo nevarnosti za varnost.
Ker litijeve baterije same po sebi niso primerne za hitro polnjenje, lahko teoretično način zamenjave baterije nadomesti njihove pomanjkljivosti pri hitrem polnjenju. Čeprav lahko načrtovanje napajalne baterije kot vtičnice povzroči težave s strukturno trdnostjo in težave z električno izolacijo za celotno vozilo, pa tudi velike izzive standardov in izgovorov za baterije, osebno verjamem, da je ta način tehnično izvedljiva rešitev (samo na tehnični ravni) rešiti problem hitrega polnjenja litij-ionskih baterij.
Razlog za to, da »model izposoje akumulatorjev+menjava akumulatorjev« v svetovnem merilu nima uspešne precedense, po avtorjevem mnenju ni le v potrošniških navadah (lastniki avtomobilov menijo, da so akumulatorji, tako kot avtomobili, njihova zasebna last), ampak tudi zaradi ogromne porazdelitve koristi, ki se skrivajo za tehničnimi standardi. V močno tržno usmerjenih zahodnih državah je težava reševanja tega problema veliko večja kot na Kitajskem. Po mojem osebnem mnenju ima lahko način zamenjave baterij pomemben razvojni potencial na področjih, kjer se na Kitajskem v prihodnosti večinoma uporabljajo izključno električna vozila, kot so avtobusi in taksiji.