Hiệu suất tốc độ sạc-xả của pin lithium-ion liên quan trực tiếp đến tính linh động của các ion lithium tại các điện cực âm và dương, chất điện phân và bề mặt phân cách giữa chúng. Điện trở bên trong) sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ sạc-xả của pin lithium-ion. Ngoài ra, tốc độ tản nhiệt bên trong pin cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ. Nếu tốc độ tản nhiệt chậm, nhiệt tích tụ trong quá trình sạc và xả tốc độ cao không thể truyền ra ngoài, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự an toàn và tuổi thọ của pin lithium-ion. Do đó, việc nghiên cứu và cải thiện hiệu suất tốc độ sạc - xả của pin lithium-ion chủ yếu bắt đầu từ hai khía cạnh: cải thiện tốc độ di chuyển của lithium-ion và tốc độ tản nhiệt bên trong pin.

1. Cải thiện khả năng khuếch tán ion lithium của các điện cực dương và âm

. Tốc độ mà các ion lithium được tập trung và xen kẽ bên trong vật liệu hoạt động tích cực / âm, tức là tốc độ mà các ion lithium chạy ra khỏi vật liệu hoạt động dương / âm , hoặc nhập vật liệu hoạt động từ bề mặt tích cực / tiêu cực để tìm một nơi về "nhà" Tốc độ nhanh như thế nào, là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ sạc và xả.


Ví dụ, có rất nhiều cuộc chạy marathon trên khắp thế giới hàng năm. Mặc dù tất cả mọi người đều xuất phát cùng lúc nhưng chiều rộng của đường có hạn, nhiều người (có khi lên đến hàng chục nghìn người) tham gia, gây ra tình trạng chen chúc lẫn nhau và ảnh hưởng đến sức khỏe của người tham gia. Chất lượng không đồng đều, và đội của cuộc thi cuối cùng sẽ trở thành một mặt trận siêu dài. Có người về đích nhanh chóng, có người muộn vài tiếng đồng hồ, có người hôn mê và dừng lại giữa chừng.

Sự khuếch tán và chuyển động của các ion liti ở cực dương và cực âm về cơ bản tương tự như quá trình chạy marathon. Có người chạy chậm và người chạy nhanh. Ngoài ra, độ dài của đoạn đường do mỗi người chọn là khác nhau, điều này làm hạn chế nghiêm trọng thời gian kết thúc cuộc đua (mọi người chạy xong). Vì vậy, chúng tôi không muốn chạy marathon. Tốt hơn hết là mọi người nên chạy 100 mét. Khoảng cách đủ ngắn để mọi người có thể về đích nhanh nhất. Ngoài ra, đường đua phải đủ rộng, không chen chúc nhau, đường không ngoằn ngoèo, khúc khuỷu. Đường thẳng là tốt nhất, để giảm độ khó của trò chơi. Kết quả, trọng tài ra hiệu lệnh, hàng vạn quân cùng nhau lao về đích, trận đấu kết thúc chóng vánh, hiệu suất nhân số xuất sắc.

Ở vật liệu cực âm, chúng tôi hy vọng rằng miếng cực phải đủ mỏng, tức là độ dày của vật liệu hoạt động phải nhỏ, tương đương với việc rút ngắn khoảng cách của cuộc đua, vì vậy chúng tôi hy vọng sẽ tăng mật độ nén của vật liệu catốt càng nhiều càng tốt. Bên trong vật liệu hoạt động, cần có đủ lỗ rỗng để tạo ra một kênh cho các ion liti cạnh tranh. Đồng thời, các “vết” này nên được phân bổ đều, không nên có nơi, có nơi thì không. Điều này đòi hỏi phải tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu làm điện cực dương. Thay đổi khoảng cách và cấu trúc giữa các hạt để đạt được sự phân bố đồng đều. Hai điểm trên thực ra trái ngược nhau. Nếu mật độ đầm nén tăng lên, mặc dù độ dày trở nên mỏng hơn, nhưng khoảng cách hạt sẽ trở nên nhỏ hơn, và đường băng sẽ xuất hiện đông đúc. Ngược lại, việc duy trì một khe hở hạt nhất định không có lợi cho việc làm mỏng vật liệu. Do đó, cần phải tìm điểm cân bằng để đạt được tốc độ di chuyển ion lithium tốt nhất.


Ngoài ra, các vật liệu làm catốt bằng các vật liệu khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số khuếch tán của các ion liti. Do đó, chọn vật liệu làm catốt có hệ số khuếch tán ion liti tương đối cao cũng là một hướng quan trọng để cải thiện hiệu suất tốc độ.

Ý tưởng xử lý vật liệu điện cực âm tương tự như vật liệu điện cực dương. Nó chủ yếu bắt đầu từ cấu trúc, kích thước và độ dày của vật liệu để giảm sự chênh lệch nồng độ của các ion liti trong vật liệu điện cực âm và cải thiện khả năng khuếch tán của các ion liti trong vật liệu điện cực âm. Lấy vật liệu anốt gốc cacbon làm ví dụ, trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu cacbon nano (ống nano, dây nano, quả cầu nano, v.v.) có thể cải thiện đáng kể diện tích bề mặt cụ thể, cấu trúc bên trong và kênh khuếch tán, do đó cải thiện đáng kể hiệu suất tốc độ. của vật liệu làm điện cực âm.

2. Cải thiện độ dẫn ion của chất điện phân

Các ion liti đang chạy đua trong vật liệu điện cực dương / âm, nhưng lại bơi trong chất điện phân.

Trong các cuộc thi bơi, làm thế nào để giảm sức cản của nước (chất điện phân) đã trở thành chìa khóa để cải thiện tốc độ. Trong những năm gần đây, các vận động viên bơi lội thường mặc quần áo cá mập, có thể làm giảm đáng kể lực cản do nước hình thành trên bề mặt cơ thể con người, do đó cải thiện thành tích của các vận động viên, và nó đã trở thành một chủ đề gây tranh cãi rất nhiều.

Các ion liti phải di chuyển qua lại giữa các điện cực âm và dương, giống như bơi trong "bể bơi" được tạo thành bởi chất điện phân và vỏ pin. ảnh hưởng. Các chất điện phân hữu cơ hiện đang được sử dụng trong pin lithium-ion, dù là chất điện phân lỏng hay chất điện phân rắn, đều có độ dẫn ion thấp. Điện trở của chất điện phân trở thành một phần quan trọng của toàn bộ điện trở của pin và không thể bỏ qua tác động của nó đến hiệu suất tốc độ cao của pin lithium-ion.

Ngoài việc cải thiện độ dẫn ion của chất điện phân, tính bền hóa và nhiệt của chất điện phân cũng cần được chú trọng. Trong quá trình sạc và phóng điện tốc độ cao, cửa sổ điện hóa của pin rất khác nhau. Nếu độ bền hóa học của chất điện phân không tốt, trên bề mặt vật liệu điện cực dễ bị oxi hóa và phân hủy, ảnh hưởng đến độ dẫn ion của chất điện phân. Độ bền nhiệt của chất điện phân có ảnh hưởng lớn đến sự an toàn và vòng đời của pin lithium-ion, bởi vì rất nhiều khí sẽ được tạo ra khi chất điện phân bị phân hủy nhiệt, điều này một mặt gây nguy hiểm cho sự an toàn. của pin, và mặt khác, một số khí có hại cho bề mặt của điện cực âm. Phim SEI có tác dụng phá hủy,

Do đó, lựa chọn chất điện phân có độ dẫn ion lithium cao, ổn định hóa học và nhiệt tốt, và vật liệu điện cực phù hợp là một hướng quan trọng để cải thiện hiệu suất tốc độ của pin lithium ion.

3. Giảm điện trở bên trong của pin

Có một số chất và mặt phân cách khác nhau giữa các chất tham gia ở đây, và các giá trị điện trở mà chúng hình thành, nhưng tất cả đều có ảnh hưởng đến sự dẫn điện của các ion / electron.

Nói chung, chất dẫn điện được thêm vào bên trong vật liệu hoạt động của điện cực dương, do đó làm giảm điện trở tiếp xúc giữa các vật liệu hoạt động, giữa vật liệu hoạt động và ma trận điện cực dương / bộ thu dòng điện, cải thiện độ dẫn điện (độ dẫn ion và điện tử) của vật liệu tích cực vật liệu điện cực và cải thiện hiệu suất tốc độ. Các tác nhân dẫn điện từ các vật liệu và hình dạng khác nhau sẽ ảnh hưởng đến điện trở bên trong của pin, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ của nó.

Bộ thu dòng điện (cực âm) của các điện cực âm và dương là vật mang truyền năng lượng điện giữa pin lithium ion và thế giới bên ngoài. Giá trị điện trở của các cực thu hiện tại cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tốc độ của pin. Do đó, bằng cách thay đổi vật liệu, kích thước, phương pháp chiết xuất, quy trình kết nối, v.v. của bộ thu hiện tại, hiệu suất tốc độ và tuổi thọ chu kỳ của pin lithium-ion có thể được cải thiện.

Mức độ xâm nhập giữa chất điện phân và các vật liệu dương và âm sẽ ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc tại mặt phân cách giữa chất điện phân và điện cực, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ của pin. Tổng lượng chất điện ly, độ nhớt, hàm lượng tạp chất, lỗ rỗng của vật liệu dương và âm, v.v ... sẽ làm thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa chất điện phân và điện cực, đây là một hướng nghiên cứu quan trọng để nâng cao hiệu suất.

Trong chu kỳ đầu tiên của pin lithium-ion, khi các ion lithium được đưa vào điện cực âm, một màng điện phân trạng thái rắn (SEI) sẽ được hình thành trên điện cực âm. Mặc dù màng SEI có độ dẫn ion tốt, nhưng nó vẫn ảnh hưởng đến sự khuếch tán của các ion liti. Nó có tác dụng cản trở nhất định, đặc biệt là khi sạc và xả với tốc độ cao. Với sự gia tăng của số chu kỳ, màng SEI sẽ tiếp tục rơi ra, bong ra và lắng đọng trên bề mặt của điện cực âm, dẫn đến việc tăng dần điện trở bên trong của điện cực âm, trở thành một yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ chu kỳ. Do đó, việc kiểm soát sự thay đổi của màng SEI cũng có thể cải thiện hiệu suất tốc độ của pin Li-ion trong quá trình đạp xe lâu dài.

Ngoài ra, tỷ lệ hấp thụ chất lỏng và độ xốp của bộ phân tách cũng có ảnh hưởng lớn đến sự di chuyển của các ion lithium, và cũng ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ (tương đối nhỏ) của pin lithium ion ở một mức độ nhất định.