Die Lade-/Entladeleistung einer Lithium-Ionen-Batterie steht in direktem Zusammenhang mit der Mobilität von Lithium-Ionen an den positiven und negativen Elektroden, dem Elektrolyten und der Grenzfläche zwischen ihnen. Der Innenwiderstand) wirkt sich auf die Lade-/Entladeleistung von Lithium-Ionen-Akkus aus. Darüber hinaus ist auch die Wärmeableitungsrate innerhalb der Batterie ein wichtiger Faktor, der die Ratenleistung beeinflusst. Wenn die Wärmeableitungsrate langsam ist, kann die während des Ladens und Entladens mit hoher Rate angesammelte Wärme nicht abgeführt werden, was die Sicherheit und Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkus ernsthaft beeinträchtigen wird. Daher beginnt die Erforschung und Verbesserung der Lade-Entladeleistung von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich mit zwei Aspekten: der Verbesserung der Lithium-Ionen-Migrationsgeschwindigkeit und der Wärmeableitungsrate innerhalb der Batterie.

1. Verbessern Sie die Lithiumionendiffusionskapazität der positiven und negativen Elektroden

. Die Rate, mit der Lithiumionen deinterkaliert und in das positive/negative aktive Material interkaliert werden, dh die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen aus dem positiven/negativen aktiven Material austreten , oder geben Sie das aktive Material von der positiven / negativen Oberfläche ein, um einen Platz zum "Zuhause" zu finden. Wie schnell ist die Geschwindigkeit, die ein wichtiger Faktor ist, der die Lade- und Entladerate beeinflusst?


Zum Beispiel gibt es jedes Jahr viele Marathons auf der ganzen Welt. Obwohl alle zur gleichen Zeit starten, ist die Breite der Straße begrenzt und viele Menschen (manchmal bis zu Zehntausende) nehmen daran teil, was zu gegenseitigem Gedränge und der körperlichen Gesundheit der Teilnehmer führt. Die Qualität ist uneinheitlich, und das Team der Konkurrenz wird schließlich zu einer super langen Front. Einige Leute kamen schnell an der Ziellinie an, einige waren ein paar Stunden zu spät, und einige fielen ins Koma und blieben auf halbem Weg stehen.

Die Diffusion und Bewegung von Lithium-Ionen im Plus- und Minuspol gleicht im Grunde einem Marathon. Es gibt Langsamläufer und Schnellläufer. Darüber hinaus ist die von jeder Person gewählte Länge der Straße unterschiedlich, was die Zeit für das Ende des Rennens (alle sind fertig gelaufen) stark einschränkt. Wir wollen also keinen Marathon laufen. Es ist besser für alle, 100 Meter zu laufen. Die Distanz ist kurz genug, damit jeder schnell ins Ziel kommt. Außerdem sollte die Strecke breit genug sein, nicht überfüllt sein und die Straße sollte nicht kurvenreich und mäandrierend sein. Die gerade Linie ist das Beste, um die Schwierigkeit des Spiels zu verringern. Infolgedessen gab der Schiedsrichter einen Befehl, Tausende von Truppen stürmten gemeinsam ins Ziel, das Spiel endete schnell und die Multiplikatorleistung war ausgezeichnet.

Beim Kathodenmaterial hoffen wir, dass der Polschuh dünn genug sein sollte, d. h. die Dicke des aktiven Materials sollte gering sein, was einer Verkürzung des Abstands des Laufs entspricht, also hoffen wir, die Verdichtungsdichte des zu erhöhen Kathodenmaterial so weit wie möglich. Innerhalb des Aktivmaterials sollten genügend Porenlücken vorhanden sein, um einen Kanal für konkurrierende Lithiumionen zu hinterlassen. Gleichzeitig sollten diese "Spuren" gleichmäßig verteilt sein, nicht an einigen Stellen, aber nicht an einigen Stellen. Dies erfordert eine Optimierung der Struktur des positiven Elektrodenmaterials. Ändern Sie den Abstand und die Struktur zwischen den Partikeln, um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Die beiden oben genannten Punkte sind eigentlich widersprüchlich. Wenn die Verdichtungsdichte erhöht wird, wird die Partikellücke kleiner, obwohl die Dicke dünner wird, und die Landebahn erscheint überfüllt. Im Gegensatz dazu ist das Einhalten eines bestimmten Partikelabstands nicht förderlich für eine Materialverdünnung. Daher ist es notwendig, einen Gleichgewichtspunkt zu finden, um die beste Lithiumionen-Migrationsrate zu erreichen.


Darüber hinaus haben die Kathodenmaterialien unterschiedlicher Materialien einen signifikanten Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten von Lithium-Ionen. Daher ist die Wahl eines Kathodenmaterials mit einem relativ hohen Lithiumionen-Diffusionskoeffizienten auch eine wichtige Richtung zur Verbesserung der Ratenleistung.

Die Verarbeitungsidee des negativen Elektrodenmaterials ähnelt der des positiven Elektrodenmaterials. Es geht hauptsächlich von der Struktur, Größe und Dicke des Materials aus, um den Konzentrationsunterschied von Lithiumionen im Material der negativen Elektrode zu verringern und die Diffusionsfähigkeit von Lithiumionen im Material der negativen Elektrode zu verbessern. Am Beispiel von Anodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis kann die Forschung an Nanokohlenstoffmaterialien (Nanoröhren, Nanodrähte, Nanokugeln usw.) in den letzten Jahren die spezifische Oberfläche, die innere Struktur und den Diffusionskanal erheblich verbessern und dadurch die Geschwindigkeitsleistung erheblich verbessern des negativen Elektrodenmaterials.

2. Verbesserung der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten

Lithium-Ionen spielen im positiven/negativen Elektrodenmaterial ein Rennen, schwimmen aber im Elektrolyten.

Bei Schwimmwettkämpfen ist die Verringerung des Wasserwiderstands (Elektrolyt) zum Schlüssel zur Verbesserung der Geschwindigkeit geworden. In den letzten Jahren tragen Schwimmer im Allgemeinen Haifischanzüge, die den durch Wasser auf der Oberfläche des menschlichen Körpers gebildeten Widerstand stark verringern können, wodurch die Leistung von Sportlern verbessert wird, und es ist zu einem sehr kontroversen Thema geworden.

Lithium-Ionen müssen zwischen positiver und negativer Elektrode hin- und herpendeln, ähnlich wie beim Schwimmen im „Schwimmbad“, das aus Elektrolyt und Batteriegehäuse besteht. Einflüsse. Die derzeit in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten organischen Elektrolyte, ob Flüssigelektrolyte oder Festelektrolyte, haben eine geringe Ionenleitfähigkeit. Der Widerstand des Elektrolyten wird zu einem wichtigen Teil des gesamten Batteriewiderstands, und sein Einfluss auf die Hochgeschwindigkeitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien kann nicht ignoriert werden.

Neben der Verbesserung der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten muss auch auf die chemische und thermische Stabilität des Elektrolyten geachtet werden. Während des Ladens und Entladens mit hoher Rate variiert das elektrochemische Fenster der Batterie stark. Wenn die chemische Stabilität des Elektrolyten nicht gut ist, oxidiert und zersetzt es sich leicht auf der Oberfläche des positiven Elektrodenmaterials, was die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten beeinflusst. Die thermische Stabilität des Elektrolyten hat einen großen Einfluss auf die Sicherheit und Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie, da bei der thermischen Zersetzung des Elektrolyts viel Gas entsteht, was einerseits eine versteckte Gefahr für die Sicherheit darstellt der Batterie, und andererseits sind einige Gase schädlich für die Oberfläche der negativen Elektrode. Der SEI-Film wirkt zerstörerisch,

Daher ist die Wahl eines Elektrolyten mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit, guter chemischer und thermischer Stabilität und passenden Elektrodenmaterialien eine wichtige Richtung, um die Ratenleistung von Lithiumionenbatterien zu verbessern.

3. Innenwiderstand der Batterie reduzieren

Hier sind verschiedene Stoffe und Grenzflächen zwischen Stoffen und die sich ausbildenden Widerstandswerte beteiligt, aber alle wirken sich auf die Leitung von Ionen/Elektronen aus.

Im Allgemeinen wird ein leitfähiges Mittel in das aktive Material der positiven Elektrode hinzugefügt, wodurch der Kontaktwiderstand zwischen den aktiven Materialien, zwischen dem aktiven Material und der Matrix/dem Stromabnehmer der positiven Elektrode verringert wird, wodurch die elektrische Leitfähigkeit (ionische und elektronische Leitfähigkeit) des Positivs verbessert wird Elektrodenmaterial und Verbesserung der Ratenleistung. Leitfähige Substanzen aus unterschiedlichen Materialien und Formen beeinflussen den Innenwiderstand der Batterie und damit ihre Leistungsfähigkeit.

Die Stromabnehmer (Polfahnen) der positiven und negativen Elektroden sind die Träger der elektrischen Energieübertragung zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und der Außenwelt. Auch der Widerstandswert der Stromabnehmer hat großen Einfluss auf die Nennleistung der Batterie. Daher können durch Ändern des Materials, der Größe, des Extraktionsverfahrens, des Verbindungsprozesses usw. des Stromkollektors die Ratenleistung und die Zykluslebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie verbessert werden.

Der Grad der Infiltration zwischen dem Elektrolyten und den positiven und negativen Materialien beeinflusst den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode, wodurch die Ratenleistung der Batterie beeinflusst wird. Die Gesamtmenge an Elektrolyt, Viskosität, Verunreinigungsgehalt, Poren von positiven und negativen Materialien usw. ändern die Kontaktimpedanz zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode, was eine wichtige Forschungsrichtung zur Verbesserung der Ratenleistung ist.

Während des ersten Zyklus einer Lithium-Ionen-Batterie wird, wenn Lithiumionen in die negative Elektrode eingeführt werden, ein Festkörperelektrolytfilm (SEI) auf der negativen Elektrode gebildet. Obwohl der SEI-Film eine gute Ionenleitfähigkeit aufweist, beeinträchtigt er dennoch die Diffusion von Lithiumionen. Es hat eine gewisse hemmende Wirkung, insbesondere beim Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen fällt der SEI-Film weiter ab, löst sich ab und lagert sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab, was zu einem allmählichen Anstieg des Innenwiderstands der negativen Elektrode führt, was zu einem beeinflussenden Faktor wird die Taktleistung. Daher kann die Steuerung der Variation des SEI-Films auch die Ratenleistung von Li-Ionen-Batterien während des Langzeitzyklus verbessern.

Darüber hinaus haben auch die Flüssigkeitsaufnahmerate und die Porosität des Separators einen großen Einfluss auf den Durchgang von Lithium-Ionen und beeinflussen in gewissem Maße auch die Ratenleistung (relativ gering) von Lithium-Ionen-Batterien.