Литий-ионные аккумуляторы 2022 - 13 технологий и новостей
В этой статье хотим познакомить наших потребителей с технологиями и новостями в отрасли литий-ионных аккумуляторных батарей в виде исследований, проведённых Департаментом химической инженерии при Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, Massachusetts, USA).
Эти технологии уже используются мировыми производителями литий-ионных аккумуляторов и конечно-же нашей компанией при производстве аккумуляторов «LIPOWER».
Ниже представлены изобретения, исследования, достижения аккумуляторной литиевой индустрии, которые уже успешно применяются в производстве. Они являются наиболее важными и простыми для понимания достижений в этой отрасли.
1. Литий-ионная технология - основная
Среди существующих аккумуляторных технологий сейчас больше всего распространена литий-ионная (обозначение: LIB - Li-Ion Battery). Причина в преимуществах характеристик:
- мощность разряда (для тяговых батарей электротранспорта - лучший вариант)
- плотность энергии (питает небольшой смартфон до двух суток)
- кулоновская эффективность (отдаёт энергии столько, сколько и принимает)
- срок службы (от 500 циклов заряда-разряда).
Благодаря этим преимуществам электромобили, портативная электроника, а также стационарные устройства (промышленные, медицинские) в настоящее время оснащаются Li-ion аккумуляторами.
2. Изучен эффект грануляции катода
Учёные научились понимать влияние гранулометрического состава катода на характеристики Li-ion. В такой архитектуре определённо есть смысл, но исследования продолжаются.
На данный момент измерена зависимость динамических параметров батареи от размера частиц, что уже применяют инженеры.
3. Найдено решение проблем электролитов
Исследовали побочные реакции в существующих электролитах и создали новую модель зависимости напряжения от стареющих (деградирующих) материалов электролита (различные виды побочных реакций органической основы и добавок).
Измеренная и смоделированная зависимость электрохимических реакций от изменений свойств материала уже сейчас помогает производителям улучшать состав электролитов.
4. Предложен улучшенный токосъёмник
Создан токосъёмник на основе полимер-углеродного композита вместо алюминиевой фольги.
Аккумуляторы с такими терминалами получат:
• в 5 раз ниже сопротивление (быстрая зарядка)
• на 50% меньше плотность материала (легче электрод).
5. Улучшено измерение «качества»
Обнаружен оптимальный метод определения ключевой характеристики качества Li-ion - внутреннего сопротивления. Разработаны процедуры, учитывающие два метода спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и модели эквивалентной схемы (ECM).
Эти разработки стали основой высокоточного прогноза производительности и срока службы аккумулятора.
6. Найдены варианты улучшения контроллеров
Определены экстремальные температурные возможности аккумулятора Li-ion для лучшей настройки контроллеров. Полученные методы интегрируют в систему управления батареями в целях повышения безопасности батарей при опасно высоких температурах.
7. Научились оценивать деградацию
Учёные углубились в понимание кулоновской эффективности Li-ion при их деградации/износе. Полученные результаты исследования предложены производителям для оптимизации контроля зарядки и разрядки элементов, снижающих скорость старения аккумуляторов.
8. Узнали больше информации о поведении Li-ion при авариях
Провели комплексный анализ опасности отказа Li-ion в электромобилях при повышенных температурах, имитирующих момент ДТП/аварии (произвольный сбой с тепловым разгоном).
Эксперименты помогли найти и определить параметры:
• температурный отклик ячейки
• максимальная достигнутая температура поверхности ячейки
• количество отходящего газа
• расход газа
• состав газов
• размер и состав отделившихся частиц.
Результаты представили ценность для всех производителей, кто связан с аккумуляторными технологиями, включая спасателей, пожарные службы, конструкторов аккумуляторных батарей и переработчиков ячеек.
9. Разработана теория производства
Разработана теоретическая основа по допускам выбора материалов для производства аккумуляторов литий-ионного типа. Учёные дали объяснение, как влияет на качество и производительность ячейки от партии к партии:
• пористость электрода
• объём внутренних пустот электрода
• ёмкость ячейки и коэффициент ёмкости, возникающий в результате нанесения покрытия на электрод
• допуски каландрирования (в качестве параметров производства).
10. Изучено влияние сварных швов
Несколько исследований провели для разработки стратегии улучшения аккумуляторных батарейных блоков (электроинструмент, ноутбуки, электросамокаты, электровелосипеды электромобили и т.д.).
Создали автоматизированный процесс лазерной сварки контактов с понижением сопротивления и уменьшения потерь энергии при соединениях ячеек. Расследование с разными формами и положениями сварных швов показало в цифрах влияние на характеристики получаемых батарейных блоков.
11. Предложена лазерная резка
Для массового производства Li-ion предложена лазерная резка катодов. Изучено её влияние на электрохимические характеристики при разделении катодов на кромках реза.
Результаты исследования уже используются производителями для получения ячеек с менее высокой себестоимостью и лучшим контролем качества.
12. Изучено старение ячеек в батареях
Процесс старения отдельных ячеек в батарейных блоках изучили и определили критерии отбора элементов для извлечения и замены.
Выяснилось, что в батареях среднего возраста менять ячейки эффективно - весь блок работает лучше. В то время как в старых блоках ставить новые ячейки неэффективно. Лучше пересобрать изношенные батареи и применять в менее требовательных приложениях.
13. Создана теория охлаждения Li-ion
Созданы готовые к применению рентабельные схемы терморегулирования батарейных блоков Li-ion в электромобилях. Поскольку от температуры зависит срок службы батарей и производительность, учёные ищут модели эффективного жидкостного охлаждения (в жару) и нагрева (в мороз).
Предложили основу для создания моделей эквивалентных схем, которые воспроизводят мультифизический феномен литий-ионных аккумуляторных батарей. На практике это системы жидкостного охлаждения, разработанные по унифицированной методике схем замещения. С точки зрения вычислений они оказались очень точными и рентабельными.
