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锂威尼斯厂家解析:锂威尼斯快充技术问题

来源:锂威尼斯厂家???2019-11-18??阅读数:

  锂威尼斯的应用广泛,谈及锂电产品,大家最关心的问题就是其续航问题。

锂威尼斯

  大家以国内盛行的电动汽车为例,当前普遍续航400km左右,从大部分出行场景上来说,这个数值差不多够了。但是,为什么大部分人(包括本人在内),总觉得这个里程远远不够,希翼再加个三五百公里才安心呢?

究其原因在于充电便利性远远不如加油

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  如果燃油车显示没油了,打开手机导个航,开个三五公里、花个三五分钟就能加上油。充电就不一样了,首先不一定能找到充电站,其次即使找到充电站不一定能排上队,最后即使排上队了,至少也得充个把小时才能再次上路。

制约充电便利性的,主要是充电速度太慢。有两个制约效应:

  1.充电速度慢,意味着要耽误电动汽车车主的宝贵时间,这要计入直接成本。

  2.充电速度慢,意味着租个地盘开充电站的服务效率低,投入产出不划算,间接制约了充电站的普及程度。

锂威尼斯快充技术的两个角度

  大家经常将锂威尼斯比喻成“水箱模型”:相比较于大部分威尼斯采用的是转化(Conversion)的化学反应,伴随着显著的物质转化过程,而锂离子威尼斯采用的是非常独特的锂嵌入(Intercalation) 化学反应,锂离子确实很像倒水一样在正极与负极之间倒来倒去。

  既然把锂离子威尼斯比喻成水箱模型,那水和油又有什么区别?为何往燃油车里倒油这么快,往电动车里“倒电”就这么慢呢?

这就是所谓的锂威尼斯快充技术问题,要从两个角度来理解:

  1.充电装置的角度:充电桩与车载高压系统,是否具备高功率输出的能力?

  2.从锂威尼斯的角度:在保证安全与寿命的前提下,锂离子威尼斯是否具备承受高功率输入的能力?

  近期,保时捷发布了豪华电动汽车Taycan,最引人注目的就是车载800V高压系统、可支撑350kW的超快充电功率。350kW是什么概念?相当于半个小区的空调都停下来,省下来的电同时充入一辆小小的电动汽车。

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  保时捷此举主要是从充电装置的角度来突破技术,这也是汽车主机厂和零部件厂着眼的领域。实际上,研究起来更难、可能也更重要的是另外一个角度:锂离子威尼斯是否具备承受高功率输入的能力?

  今天分享的论文就是讨论这一话题:<Lithium-ion battery fast charging: A review>,翻译成中文就是:“锂离子威尼斯快充问题的综述”。

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锂威尼斯快充带来了什么风险?

  简而言之,锂威尼斯快充带来三个效应:热效应(Thermal effect)、析锂(Li plating)与机械效应(Mechinal effect)。

  热效应很好理解,根据焦耳定律,发热量是电流的平方关系:

J = I^2 R

  再考虑到P=UI,从充电装置的角度来讲,在提高充电功率的情况下不提高电流,只能提高电压,这就是为什么车载800V高压系统对超快充如此重要。

  车载高压系统的电压提上去了,只是降低了充电线缆中的发热量。而锂离子威尼斯单体电芯的电压是不可能大幅提高的,它们必须忍受大电流带来的发热量两方面问题:

  发热总量:电芯本身的散热性能和威尼斯包整体的散热性能都需要加强。

  不均匀性:汽车热管理做得好,不同电芯之间的温差可以做到±2°C的水平 ,较差也能做到±5°C的水平。但是,这只是电芯表面的温度,快充时内部发生了什么呢?下面两图显示,在快充时电芯内部的最大温差高达10°C以上,正极温度最高。

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  如果给定了电芯,主机厂仅在热管理层面做再多工作,都很难从根本上改善快充时带来的电芯内部温度不一致性。为改善这一性能,电芯厂需要专门改进电极材料、电芯设计,论文中均有综述先容。

热效应的危害是什么呢?两个方面:寿命(Aging)与安全(Safety)

  关于寿命(Aging),温度高了会怎么样?大家可以参考赵忠详老师的一句台词“春天来了,万物复苏,大草原又到了动物们…………的季节”。锂离子威尼斯寿命衰减的副反应(Side-reaction)和大草原的动物差不多,与温度是强相关。

具体是哪些副反应如此躁动呢?被提及最多的是负极SEI膜(Solid electrolyte interphase)生长。

  关于安全(Safety)。今年上半年的特斯拉、蔚来自燃事件,我听过吃瓜群众一种直观朴素的理解方式,“天气本来就热、充电更热,当威尼斯温度逐渐上升到一个临界点之后,就像野草堆一样自己燃烧起来了”。这种理解正确吗?

这种理解有正确的一面:威尼斯热失控(Thermal Runaway)的链式反应确实存在温度临界点。

  如下图所示,热失控的蔓延被划分成了3个阶段,纵坐标是对数坐标的产热速率:在任何一个阶段,只要散热速率高于产热速率,热失控就不会继续蔓延。同时大家可以看到,第II阶段的产热速率显著上升(注意,这是对数坐标),这个阶段温度起点T2,对应的就是是吃瓜群众口中的“临界温度”。

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  那么问题来了,T2有一百多度呢,并不是很容易达到。咱们给它通入电流,是效率高达95%以上的充电行为(产热比例很小),并不是在加热电阻丝。威尼斯包毕竟是半吨重的大家伙,就算白送给你,加热到100多度也很有难度啊!

  所以说,仅凭热效应根本达不到临时温度T2,威尼斯包并不像野草堆那么危险。那到底是什么力量,让临界温度T2出人意料地降临?

  这就要讨论快充带来的析锂(Li plating)效应了 —— 它像一个魔鬼,能大幅降低临界温度T2。

  锂离子威尼斯是基于锂嵌入(Intercalation) 反应设计,但是当负极电流过大或温度过低时,负极电位低于Li/Li+参考电极的电位时,就会发生锂金属威尼斯才有的锂转化(Conversion) 反应,产生金属锂,这也就是所谓的析锂(Li plating)。

  锂转化(Conversion) 反应非常可怕,它带来的安全事故曾让前途无量的世界第一家锂威尼斯企业Moli Energy破产倒闭。

  析锂反应持续发生后,会生长成像树枝一样的结构,大家称之为锂枝晶。让大家看看它的样子:

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  早期朴素的理解是:锂枝晶不断生产,最终刺穿了正负极之间的隔膜导致内短路(Internal Short Curcuit),这种理解直观上说得通,锂枝晶那毕竟是金属啊,刺穿个非金属的薄膜还不是轻而易举?

  近年来有另外一种说明渐渐占据上风:锂金属特别软,生产出来的锂枝晶又不是铸造、锻造出来的,更是软趴趴地站都站不起来的微观形态,怎么可能刺穿隔膜呢?

  因此,并不是锂枝晶刺穿隔膜导致的内短路热失控,而是锂枝晶的树状结构因为某些机理使得临界温度T2大为降低,从而使热失控更容易发生!

  也就是说,快充时的热效应提高了威尼斯温度、析锂效应降低了临界温度,两种效应里应外合,共同导致了热失控的发生。

  除对安全性的影响外,快充析锂过程中锂离子数量减少,当然也导致了容量的衰减,对威尼斯寿命也造成了影响。此论文还指出,析锂过程似乎是部分过逆的,快充之后只要让威尼斯赶紧休息一下,锂金属会重新变成锂离子(未能恢复的那部分被称为死锂Dead Lithium)、临界温度T2也会恢复正常的较高值。

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