Qu'est-ce qu'une cellule de puissance et qu'est-ce que l'analyse de la stratégie de conception d'une cellule de puissance ?

Dans la conception d'une cellule de puissance, au moins deux aspects de la polarisation et de l'élévation de la température doivent être pris en compte. En général, la cellule de puissance peut être optimisée et améliorée à travers quatre aspects : la sélection des matériaux, la conception structurelle, la conception du processus et la stratégie de charge, de manière à concevoir une batterie au lithium capable de se charger et de se décharger rapidement.

Sélection des matériaux pour les cellules de puissance

Matériau de la cathode

Lorsqu'une batterie au lithium est chargée et déchargée avec un courant élevé, le Li+ est rapidement désintercalé dans le matériau actif. Pour les matériaux cathodiques des piles électriques, l'O2- dans la structure olivine unidimensionnelle du phosphate de fer lithié forme un emballage étroit autour du Li+, ce qui affecte grandement la performance de diffusion du Li+.

La structure bidimensionnelle en couches de l'oxyde de lithium et de cobalt et le matériau ternaire de l'oxyde de lithium et de cobalt sont des éléments essentiels de la structure de l'oxyde de lithium. pile ternaire au lithium permettent l'intercalation du Li+ entre les couches, tandis que la structure spinelle tridimensionnelle du manganate de lithium est la plus adaptée à la désintercalation rapide du Li+.

Du point de vue de la facilité de diffusion, le classement des matériaux cathodiques les plus appropriés pour la préparation d'une pile électrique est le suivant : oxyde de manganèse de lithium spinelle > oxyde de cobalt de lithium > matériaux ternaires > phosphate de fer de lithium.

Matériau de l'anode

Pour les matériaux d'anode des piles électriques, le graphite présente une conductivité élevée et un potentiel d'intercalation du lithium faible et stable, et constitue actuellement le matériau d'anode le plus courant. Cependant, la structure en couches du graphite le rend très anisotrope, le Li+ ne peut être intégré qu'à partir de la face frontale du graphite, puis se diffuse à l'intérieur de la particule, augmentant ainsi le chemin de diffusion, ce qui se traduit par une faible performance du graphite en termes de taux.

Le carbone mou ou le carbone dur amorphe présente un plus grand espacement entre les couches et une structure en quinconce plus complexe, ce qui augmente les canaux de désintercalation du Li+ et la vitesse de diffusion du Li+. Le MCMB préparé à partir du pitch mésophase, l'un des matériaux de carbone mou, a une structure sphérique qui permet au Li+ d'être incorporé et extrait de toutes les directions de la surface sphérique, et est l'un des matériaux d'anode préférés pour les piles de puissance.

Sélection du séparateur de cellules de puissance

Les séparateurs des piles au lithium comprennent principalement des membranes microporeuses en polyoléfine, des séparateurs en fibres non tissées, des membranes composites inorganiques et des membranes à électrolyte polymère gélifié. En raison des caractéristiques des matières premières faciles à obtenir, de la bonne résistance mécanique et de la stabilité chimique, les séparateurs en polyoléfine sont actuellement les séparateurs les plus couramment utilisés pour les piles au lithium.

Généralement, le séparateur a une structure poreuse et est placé entre la cathode et l'anode adjacentes, ce qui constitue un isolant électronique, mais permet au Li+ de circuler librement entre les pores. Le séparateur présente les caractéristiques d'une isolation électronique et d'une conduction ionique.

En général, le Li+ peut passer rapidement à travers le séparateur en réduisant le chemin de migration, en augmentant la taille des pores et la porosité du séparateur, et en réalisant la charge et la décharge rapides de la batterie au lithium.

Sélection de l'électrolyte de la pile électrique

L'électrolyte liquide conventionnel se compose de trois éléments : le sel de lithium, le solvant et les additifs. Le sel de lithium est utilisé pour fournir le Li+ actif et le solvant est utilisé pour dissoudre le sel de lithium. Il existe de nombreux types d'additifs, notamment des additifs de formation de film, des additifs de surcharge, des additifs ignifuges, etc. qui ont généralement un certain effet fonctionnel.

Le LiPF6 est facile à dissocier, a un nombre de migration lithium-ion élevé, une bonne résistance à l'oxydation et une bonne capacité de passivation des feuilles d'aluminium, etc. et est devenu le sel de lithium le plus couramment utilisé dans l'électrolyte des batteries au lithium. Mais ses défauts sont également évidents, tels qu'une mauvaise stabilité thermique, une hydrolyse facile, et les matières premières doivent être stockées dans un environnement anhydre et à basse température.

Par conséquent, la concentration en sel de lithium, la composition du solvant et les additifs de l'électrolyte affecteront les caractéristiques intrinsèques de l'électrolyte, qui à leur tour affecteront les performances de la cellule de puissance de la batterie au lithium.

Conception structurelle de la cellule de puissance

Taille de l'onglet

Lorsqu'une batterie au lithium est chargée et déchargée à un rythme élevé, l'augmentation de la température au niveau de la languette est importante, ce qui entraîne une surchauffe de l'ensemble de la batterie, une diminution de ses performances et une augmentation des risques pour la sécurité.

En général, le courant autorisé à passer à travers la languette est positivement lié à la surface de la section transversale de la languette, c'est-à-dire que plus la surface de la section transversale de la languette est grande, plus le courant autorisé à passer est important. Une conception raisonnable de la languette est un facteur important dans la conception d'une cellule de puissance.

Position de l'onglet

La position de la languette affecte la résistance interne et la distribution de la température de la batterie, ce qui à son tour affecte les performances de la batterie en termes de taux et de cycle.

Lorsque la position de soudage de la languette est au milieu du collecteur de courant, la résistance interne est la plus faible. Lorsque la languette est soudée à l'extrémité du collecteur de courant, sa résistance interne est 4 fois supérieure à celle de la soudure au milieu. Lorsque les languettes sont soudées à l'extrémité, la DCR et l'impédance EIS de la batterie complète sont plus importantes, ce qui n'est pas propice à la charge et à la décharge rapides de la cellule de puissance de la batterie au lithium.

Nombre d'onglets

Le nombre de languettes a un impact important sur les performances de la cellule de puissance de la batterie au lithium. Plus le nombre de languettes est élevé, plus la résistance interne est faible, plus la polarisation et la production de chaleur sont réduites, et plus la pile est adaptée à la charge et à la décharge à haut débit. Par exemple, les véhicules électriques et les drones ayant des besoins élevés en énergie utilisent tous des cellules de puissance à structure multipolaire.

Conception du processus de la cellule de puissance

Proportion du conducteur de l'électrode

Une petite quantité d'agent conducteur est généralement ajoutée aux formulations de la cathode et de l'anode pour collecter le micro-courant entre le matériau actif et le collecteur de courant, afin de réduire la résistance de contact de l'électrode, d'accélérer le mouvement des électrons et d'améliorer la conductivité électronique de l'électrode.

En théorie, plus la teneur en agent conducteur est élevée, plus la conductivité de la pièce polaire est importante et plus la résistance interne de la batterie est faible. Cependant, en réalité, une trop grande quantité d'agent conducteur a tendance à s'agglomérer, ce qui bloque la connexion électrique entre les particules actives et conduit à une mauvaise performance du taux.

Densité surfacique

Plus la densité surfacique est faible, plus l'électrode est fine, plus la distance de diffusion du Li+ est courte, ce qui réduit le chemin de migration du Li+ et peut réduire considérablement la polarisation de la concentration. En comparant l'impédance EIS des densités de surface de l'oxyde de cobalt et de lithium de 150g/m2, 180g/m2 et 220g/m2 respectivement, on constate que lorsque la densité de surface augmente, l'impédance EIS totale augmente progressivement, ce qui signifie que la résistance du Li+ pendant la réaction électrochimique devient plus importante.

En outre, lorsque la densité surfacique augmente, la pente de la ligne droite dans la région des basses fréquences s'écarte de l'angle de 45°, ce qui indique que le taux de diffusion de Li+ dans l'électrode devient plus lent.

Densité de compactage

Pour une même densité surfacique, différentes conceptions de compactage affecteront également la performance et le cycle de la cellule de puissance de la batterie au lithium. Plus la densité de compactage est faible, plus la porosité de l'électrode est importante, plus la résistance à la diffusion du Li+ dans le matériau actif est faible et plus la vitesse de diffusion est rapide.

Cependant, si la densité de compactage est trop faible, elle peut entraîner un mauvais contact entre les particules, une diminution de la conductivité électronique et une augmentation de la polarisation des réactions électrochimiques.

Processus de formation de la cellule de puissance

La formation d'un film SEI est l'un des processus essentiels dans la fabrication des batteries lithium-ion. Dans ce processus, le solvant ou l'additif filmogène est réduit à la surface de l'anode pour former un film SEI d'une épaisseur d'environ 100-120 nm afin d'empêcher d'autres réactions secondaires du solvant, réduisant ainsi la perte de lithium actif. Après de nombreuses recherches, il a été démontré que le film SEI a un impact significatif sur les performances de la cellule de puissance.

Du point de vue de l'impédance EIS, le film SEI formé en utilisant un temps de charge plus court et un courant plus élevé a une impédance plus petite, ce qui semble avoir une meilleure performance de charge rapide pour la pile électrique.

Cependant, en fait, la performance de charge rapide d'une pile électrique n'est pas seulement liée à l'impédance de la pellicule SEI elle-même, mais aussi à la stabilité de la pellicule SEI formée. Le film SEI à faible résistance formé lors de la phase de formation n'a que peu d'importance si la stabilité du film SEI pendant le cycle à long terme ne peut pas être maintenue.

Stratégie de charge pour la cellule de puissance

La principale raison pour laquelle les batteries au lithium sont chargées avec un courant et une tension constants est d'éliminer la polarisation de la batterie pendant l'utilisation. chargeur de batterie pour charger. En d'autres termes, la tension contrôlée pendant la charge et la décharge n'est pas la tension réelle de la batterie, à moins que le courant soit très faible, mais la charge avec un faible courant rendra la vitesse de charge très lente et le temps de charge sera considérablement allongé.

Par conséquent, la charge à courant et tension constants est actuellement la méthode de charge la plus efficace, tout en endommageant moins la batterie.

L'essence de la surcharge à haute tension est la charge à courant et tension constants. La technologie de surcharge à haute tension consiste à augmenter la tension de coupure de la charge et à augmenter le courant de coupure de la charge, de manière à obtenir la même capacité de charge et à réduire considérablement le temps de charge. La technologie de surcharge à haute tension est très efficace pour réduire le temps de charge des piles électriques.

La vitesse de charge des piles au lithium peut être améliorée en adoptant la méthode de charge par étapes. En d'autres termes, un courant de charge élevé est utilisé dans la plage de faible SOC, et un courant de charge faible est utilisé dans la plage de SOC élevé. En augmentant le courant de charge moyen, le temps de charge est réduit sans affecter de manière significative la durée de vie de la batterie.

La méthode consistant à charger une batterie au lithium en un court laps de temps avec un certain courant constant est appelée charge par impulsions. La capacité de charge et le temps d'intermittence peuvent être contrôlés par le courant d'impulsion et le cycle de service d'impulsion, ce qui permet d'éliminer efficacement la polarisation de la charge et de réaliser une charge rapide de la cellule de puissance de la batterie au lithium.

La prise en compte de l'aspect commercialisé de la Batterie 18650 à titre d'exemple, différentes amplitudes d'impulsion, durées d'impulsion et temps de repos ont été conçus respectivement, et il a été constaté que :

● Le temps d'impulsion positif n'a pas d'effet évident sur la capacité de charge et la température maximale, mais il peut réduire le temps de charge ;
● Le temps d'attente n'a pas d'effet évident sur la capacité de charge et la température maximale, mais il prolonge le temps de charge ;
● Après avoir augmenté le grossissement de l'impulsion, la capacité de charge devient plus petite, le temps de charge est fortement réduit et la température maximale est plus élevée.