Qué es la célula de potencia y el análisis de la estrategia de diseño de la célula de potencia

En el diseño de una pila de litio, hay que tener en cuenta al menos dos aspectos: la polarización y el aumento de temperatura. Por lo general, la célula de potencia puede optimizarse y mejorarse a través de cuatro aspectos: selección de materiales, diseño estructural, diseño de procesos y estrategia de carga, con el fin de diseñar una batería de litio que pueda satisfacer una carga y descarga rápidas.

Selección de materiales para células de potencia

Material del cátodo

Cuando una batería de litio se carga y descarga con una corriente elevada, el Li+ se desintercala rápidamente en el material activo. En el caso de los materiales catódicos de las pilas de potencia, el O2- del fosfato de hierro y litio con estructura de olivino unidimensional forma un estrecho empaquetamiento alrededor del Li+, lo que afecta enormemente al rendimiento de difusión del Li+.

La estructura bidimensional en capas del óxido de litio-cobalto y el material ternario del batería ternaria de litio permiten que el Li+ se intercalen entre las capas, mientras que la estructura tridimensional de espinela del manganato de litio es la más adecuada para la rápida desintercalación del Li+.

Desde la perspectiva de la facilidad de difusión, la clasificación de los materiales catódicos más adecuados para la preparación de pilas de potencia es: óxido de litio manganeso espinela > óxido de litio cobalto > materiales ternarios > fosfato de litio hierro.

Material del ánodo

Para los materiales anódicos de las pilas de potencia, el grafito tiene una alta conductividad y un potencial de intercalación de litio bajo y estable, y actualmente es el material anódico mayoritario. Sin embargo, la estructura en capas del grafito lo hace altamente anisótropo, el Li+ sólo puede incrustarse desde la cara final del grafito, y luego difunde hacia el interior de la partícula, aumentando la ruta de difusión, lo que resulta en un rendimiento pobre de la tasa del grafito.

El carbono blando amorfo o el carbono duro tienen un mayor espaciado entre capas y una estructura escalonada más compleja, lo que aumenta los canales para la desintercalación del Li+ e incrementa la velocidad de difusión del Li+. El MCMB preparado a partir de brea mesofásica, uno de los materiales de carbono blando, tiene una estructura esférica que permite que el Li+ se incruste y extraiga desde todas las direcciones de la superficie esférica, y es uno de los materiales anódicos preferidos para las pilas de potencia.

Selección del separador de células de potencia

Los separadores de la pila de litio de la célula de potencia incluyen principalmente: membranas microporosas de poliolefina, separadores de fibra no tejida, membranas compuestas inorgánicas y membranas electrolíticas de polímero en gel. Debido a las características de fácil obtención de materias primas, buena resistencia mecánica y estabilidad química, los separadores de poliolefina son actualmente los más utilizados para las baterías de litio.

Generalmente, el separador tiene una estructura porosa y está dispuesto entre el cátodo y el ánodo adyacentes, que es un aislante electrónico, pero permite que el Li+ se desplace libremente entre los poros. El separador tiene las características de aislamiento electrónico y conducción de iones.

Por lo general, el Li+ puede atravesar rápidamente el separador reduciendo la ruta de migración, aumentando el tamaño de los poros y la porosidad del separador, y realizando la carga y descarga rápidas de la batería de litio.

Selección del electrolito de la pila

El electrolito líquido convencional consta de tres partes: sal de litio, disolvente y aditivos. Entre ellos, la sal de litio se utiliza para proporcionar Li+ activo, y el disolvente se utiliza para disolver la sal de litio. Hay muchos tipos de aditivos, como aditivos formadores de película, aditivos de sobrecarga, aditivos retardantes de llama, etc., que suelen tener un determinado efecto funcional.

El LiPF6 es fácil de disociar, tiene un alto número de migración de iones de litio, buena resistencia a la oxidación y buena capacidad de pasivación de la lámina de aluminio, etc., y se ha convertido en la sal de litio más utilizada en el electrolito de las baterías de litio. Pero sus defectos también son evidentes, como su escasa estabilidad térmica, su fácil hidrólisis y la necesidad de almacenar las materias primas en un entorno anhidro y a baja temperatura.

Por lo tanto, la concentración de sal de litio, la composición del disolvente y los aditivos del electrolito afectarán a las características intrínsecas del electrolito, que a su vez afectarán al rendimiento de la célula de potencia de la batería de litio.

Diseño estructural de la célula de potencia

Tamaño de la pestaña

Cuando una batería de litio se carga y descarga a gran velocidad, debido a la gran corriente, el aumento de temperatura en la posición de la lengüeta es grande, lo que a su vez provoca un sobrecalentamiento de toda la batería, una disminución de su rendimiento y un aumento de los riesgos de seguridad.

Generalmente, la corriente que se permite pasar a través de la lengüeta está positivamente relacionada con el área de la sección transversal de la lengüeta, es decir, cuanto mayor sea el área de la sección transversal de la lengüeta, mayor será la corriente que se permite pasar. El diseño razonable de la lengüeta es un factor importante en el diseño de la célula de potencia.

Posición de la pestaña

La posición de la lengüeta afectará a la resistencia interna y a la distribución de la temperatura de la batería, lo que a su vez afectará al rendimiento de la tasa y al rendimiento del ciclo de la batería.

Cuando la posición de soldadura de la lengüeta está en el centro del colector de corriente, la resistencia interna es la menor. Cuando la lengüeta se suelda en el extremo del colector de corriente, su resistencia interna es 4 veces mayor que la de la soldadura en el centro. Cuando las lengüetas se sueldan en el extremo, la DCR y la impedancia EIS de la batería completa son mayores, lo que no favorece la carga y descarga rápidas de la célula de potencia de la batería de litio.

Número de pestañas

El número de lengüetas tiene un impacto importante en el rendimiento de la célula de potencia de la batería de litio. Cuanto mayor es el número de lengüetas, menor es la resistencia interna, menor la polarización y la generación de calor, y es más adecuada para cargas y descargas de alta velocidad. Por ejemplo, los vehículos eléctricos y los drones con grandes requisitos de potencia utilizan células de potencia con estructura multipolar.

Diseño del proceso de la célula de potencia

Proporción de conductor de electrodo

Suele añadirse una pequeña cantidad de agente conductor a las formulaciones de cátodo y ánodo para recoger microcorriente entre el material activo y el colector de corriente, con el fin de reducir la resistencia de contacto del electrodo, acelerar el movimiento de electrones y mejorar la conductividad electrónica del electrodo.

En teoría, cuanto mayor sea el contenido de agente conductor, mayor será la conductividad de la pieza polar y menor la resistencia interna de la pila. Sin embargo, de hecho, un exceso de agente conductor es propenso a la aglomeración, lo que bloquea la conexión eléctrica entre las partículas activas y da lugar a un bajo rendimiento de la tasa.

Densidad de área

Cuanto menor es la densidad areal, más delgado es el electrodo, más corta es la distancia de difusión del Li+, lo que reduce la ruta de migración del Li+, que puede reducir en gran medida la polarización de concentración. Comparando la impedancia EIS de densidades superficiales de óxido de litio-cobalto de 150g/m2, 180g/m2 y 220g/m2 respectivamente, se observa que a medida que aumenta la densidad superficial, la impedancia EIS total aumenta gradualmente, es decir, la resistencia del Li+ durante la reacción electroquímica se hace mayor .

Además, a medida que aumenta la densidad areal, la pendiente de la línea recta en la región de baja frecuencia se desvía del ángulo de 45°, lo que indica que la velocidad de difusión del Li+ en el electrodo se hace más lenta.

Densidad de compactación

Con la misma densidad de área, los diferentes diseños de compactación también afectarán al rendimiento y al ciclo de funcionamiento de la pila de litio. Cuanto menor sea la densidad de compactación, mayor será la porosidad del electrodo, menor la resistencia a la difusión del Li+ en el material activo y mayor la velocidad de difusión.

Sin embargo, si la densidad de compactación es demasiado baja, puede provocar un contacto deficiente entre las partículas, una disminución de la conductividad electrónica y un aumento de la polarización de las reacciones electroquímicas.

Proceso de formación de la célula de potencia

La formación es uno de los procesos esenciales en el proceso de fabricación de las baterías de iones de litio. En este proceso, el disolvente o aditivo formador de película se reduce en la superficie del ánodo para formar una película SEI con un grosor de unos 100-120 nm para evitar reacciones secundarias posteriores del disolvente, reduciendo así la pérdida de litio activo. Tras muchas investigaciones, se ha demostrado que la película SEI tiene un impacto significativo en el rendimiento de la pila de potencia.

Desde la perspectiva de la impedancia EIS, la película SEI formada utilizando un tiempo de carga más corto y una corriente mayor tiene una impedancia menor, lo que parece tener un mejor rendimiento de carga rápida para la pila de potencia.

Sin embargo, de hecho, el rendimiento de carga rápida de la pila de potencia no sólo está relacionado con la impedancia de la propia película SEI, sino también con la estabilidad de la película SEI formada. La película SEI de baja resistencia formada en la etapa de formación tiene poca importancia si no se puede mantener la estabilidad de la película SEI durante los ciclos a largo plazo.

Estrategia de carga de la célula de potencia

La razón principal por la que las baterías de litio se cargan con corriente y tensión constantes es para eliminar la polarización de la batería durante su uso. cargador de batería para cargar. Es decir, el voltaje monitorizado durante la carga y descarga no es el voltaje real de la batería, a menos que la corriente sea muy pequeña, pero cargar con una corriente pequeña hará que la velocidad de carga sea muy lenta y el tiempo de carga se alargue mucho.

Por lo tanto, la carga a corriente y tensión constantes es actualmente el método de carga más eficaz y, al mismo tiempo, causa menos daños a la batería.

La esencia de la sobrecarga de alta tensión es la carga a corriente y tensión constantes. La tecnología de sobrecarga de alto voltaje se refiere al aumento del voltaje de corte de carga y al aumento de la corriente de corte de carga, con el fin de lograr la misma capacidad de carga y reducir en gran medida el tiempo de carga. La tecnología de sobrecarga de alto voltaje es muy eficaz para reducir el tiempo de carga de la pila de potencia.

La velocidad de carga de las pilas de litio puede mejorarse adoptando el método de carga escalonada. Es decir, se utiliza una corriente de carga alta en el rango de SOC bajo y una corriente de carga baja en el rango de SOC alto. Al aumentar la corriente de carga media, se reduce el tiempo de carga sin afectar significativamente a la vida útil de la batería.

El método de carga de una batería de litio en un corto periodo de tiempo con una determinada corriente constante se denomina carga por impulsos. La capacidad de carga y el tiempo intermitente pueden controlarse mediante la corriente de impulsos y el ciclo de trabajo de impulsos, con lo que se elimina eficazmente la polarización de carga y se consigue una carga rápida de la célula de potencia de la batería de litio.

Tomando el comercializado Batería 18650 como ejemplo, se diseñaron diferentes aumentos de pulso, tiempos de pulso y tiempos de reposo, respectivamente, y se comprobó que:

● El tiempo de impulso positivo no tiene ningún efecto evidente sobre la capacidad de carga y la temperatura máxima, pero puede reducir el tiempo de carga;
● El tiempo de reposo no tiene ningún efecto evidente sobre la capacidad de carga y la temperatura máxima, pero prolongará el tiempo de carga;
● Después de aumentar el aumento del pulso, la capacidad de carga se hace más pequeña, el tiempo de carga se reduce en gran medida, y la temperatura máxima es más alta.