लिथियम आयन ब्याट्री प्रविधिको आधारभूत कुराहरू

लिथियम आयन ब्याट्रीहरूले धेरै मानिसहरूले यसको बारेमा सोच्ने तरिकामा वास्तवमा "उत्पन्न" पावर गर्दैनन्। तिनीहरूले के गर्छ उल्टाउन मिल्ने इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाहरू मार्फत विद्युत ऊर्जा भण्डारण गर्दछ, त्यसपछि बाह्य सर्किटले विद्युत् माग गर्दा यसलाई छोड्नुहोस्। यसको बारेमा भ्रम डिजाइन बैठकहरूमा धेरै आउँछ, विशेष गरी जब कसैले पहिलो पटक ब्याट्री प्याकलाई आकार दिन प्रयास गरिरहेको हुन्छ।

डिस्चार्ज हुँदा दुई कुरा हुन्छन्। पहिलो, लिथियम आयनहरू नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) बाट इलेक्ट्रोलाइट र विभाजक मार्फत सकारात्मक इलेक्ट्रोड (क्याथोड) मा माइग्रेट हुन्छन्। दोस्रो, इलेक्ट्रोनहरू बाह्य सर्किट मार्फत एनोडबाट क्याथोडमा प्रवाह गर्दछ, उपयोगी काम गर्दै। चार्ज गर्ने क्रममा, तपाईले बाह्य भोल्टेज लागू गरेर प्रक्रियालाई उल्टो गर्नुहुन्छ जसले आयन र इलेक्ट्रोनहरूलाई विपरीत दिशामा सार्न बाध्य पार्छ।

सेल उत्पादन गर्ने भोल्टेज तपाईले छान्नुहुने इलेक्ट्रोड सामग्री र तिनीहरूको सम्बन्धित इलेक्ट्रोकेमिकल क्षमताहरूमा पूर्ण रूपमा निर्भर गर्दछ। कुनै लोड बिना शेल्फमा बसेको ताजा सेलले यसको खुला-सर्किट भोल्टेज-सामान्यतया धेरै लिथियम आयन रसायनहरूको लागि लगभग 3.6 देखि 3.7V देखाउँदछ, यद्यपि यो संख्या चार्ज र तापमानको स्थितिमा निर्भर हुन्छ। एकचोटि तपाईंले लोड जडान गर्नुभयो र वर्तमान कोर्न सुरु गर्नुभयो, आन्तरिक प्रतिरोधको कारण भोल्टेज घट्छ। यो कति झर्छ यसले कोशिकाको स्वास्थ्यको बारेमा धेरै कुरा बताउँछ।

कोशिका रसायन विज्ञान को आधारभूत कुरा

सबै लिथियम आयन कोशिकाहरूले एउटै आधारभूत सञ्चालन सिद्धान्त साझा गर्छन्, तर रसायन विज्ञानहरू व्यापक रूपमा भिन्न हुन्छन्। क्याथोड सामग्रीले धेरै हदसम्म सेलको प्रदर्शन विशेषताहरू-ऊर्जा घनत्व, शक्ति क्षमता, चक्र जीवन, थर्मल स्थिरता, र लागत निर्धारण गर्दछ।

स्तरित अक्साइड क्याथोडहरू पहिलो व्यावसायिक रसायन थिए। Sony ले तिनीहरूलाई 1991 मा LiCoO₂ (लिथियम कोबाल्ट अक्साइड) मार्फत फिर्ता ल्यायो, जुन अझै पनि उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्समा प्रयोग गरिन्छ जहाँ ऊर्जा घनत्व लागत वा सुरक्षा मार्जिन भन्दा बढी महत्त्वपूर्ण हुन्छ। यी कक्षहरू सेल स्तरमा लगभग 150-200 Wh/kg प्याक गर्छन्। कोबाल्ट महँगो भए तापनि, र रसायनशास्त्र 150 डिग्री भन्दा माथि अस्थिर हुन्छ। हामीले दुर्व्यवहार गरिएका कक्षहरूमा 130 डिग्री भन्दा कम तापक्रममा थर्मल रनअवे सुरु भएको देख्यौं।

राम्रो सुरक्षा र कम लागतको लागि ड्राइभले मध्य-1990s मा LiMn₂O₄ (लिथियम म्यांगनीज अक्साइड) को नेतृत्व गर्यो। म्यांगनीज फोहोर सस्तो छ र स्पिनल संरचना स्वाभाविक रूपमा अधिक स्थिर छ। यी कोशिकाहरू भाग्ने छैनन् जबसम्म तपाइँ सामान्यतया 250 डिग्री पार गर्नुहुन्न। सम्झौता? ऊर्जा घनत्व 100-120 Wh/kg मा झर्छ, र म्यांगनीज समयको साथ इलेक्ट्रोलाइटमा घुल्छ, विशेष गरी उच्च तापमानमा। साइकल जीवनले पीडा भोग्छ - क्षमता 80% भन्दा तल झर्नु अघि तपाईले 300-700 चक्रहरू हेर्दै हुनुहुन्छ।

LiFePO₄ (लिथियम आइरन फस्फेट) 2001 को आसपास देखा पर्यो र सुरक्षा कुराकानी परिवर्तन भयो। ओलिभिन संरचना चट्टान-थर्मल रूपमा ठोस छ; थर्मल रनअवे 270 डिग्री भन्दा माथि सम्म देखा पर्दैन, र त्यसपछि पनि यो कम हिंसात्मक छ। साइकल जीवन उत्कृष्ट छ-२,000+ चक्रदेखि ८०% क्षमता मानक हो, र केही कक्षहरू 5,000 चक्रहरू अघि परीक्षण गरिएका छन्। नकारात्मक पक्ष भोल्टेज हो: केवल 3.2V नाममात्र, र ऊर्जा घनत्व 90-120 Wh/kg मा सीमित छ। साथै, फस्फेट पेटेन्ट अवस्था वर्षौंको लागि गन्दा थियो।

NMC (लिथियम निकल म्यांगनीज कोबाल्ट अक्साइड) र NCA (लिथियम निकल कोबाल्ट एल्युमिनियम अक्साइड) "सन्तुलित" रसायनको रूपमा देखा पर्यो। विभिन्न अनुपातहरूमा निकल, म्यांगनीज, र कोबाल्ट मिलाएर -सामान्य NMC 111, 532, 622, र 811 हुन् जहाँ संख्याहरूले सापेक्ष धातु सामग्रीलाई संकेत गर्दछ-तपाईले प्रदर्शनलाई ट्युन गर्न सक्नुहुन्छ। उच्च निकल सामग्रीले ऊर्जा घनत्व 200-250 Wh/kg तिर धकेल्छ तर थर्मल स्थिरता र चक्र जीवनको लागतमा। NMC 811 सेलहरूले 250 Wh/kg मा हिट गर्न सक्छ तर धेरै सावधान थर्मल व्यवस्थापन चाहिन्छ।

एनोड पक्षमा, ग्रेफाइट पहिलो दिनदेखि मानक भएको छ। सैद्धान्तिक क्षमता 372 mAh/g छ, र व्यावसायिक कक्षहरूले सामान्यतया 340-360 mAh/g प्राप्त गर्छन्। लिथियमले चार्ज गर्ने क्रममा ग्रेफाइन तहहरू बीच अन्तरक्रिया गर्दछ, लगभग 10% ले ग्रेफाइट भोल्युम विस्तार गर्दछ। यो मेकानिकल तनावले साइकल चलाउने क्षमता घटाउन योगदान गर्छ।

सिलिकन एनोडहरू लगभग पन्ध्र वर्षको लागि "अर्को ठूलो चीज" भएको छ। सिलिकनको सैद्धान्तिक क्षमता ४,२०० mAh/g-ग्रेफाइटको दश गुणाभन्दा बढी छ। समस्या छ, सिलिकनले लिथियम अवशोषित गर्दा 300% द्वारा विस्तार हुन्छ। यसले एनोडलाई केही चक्र पछि अलग गर्दछ। हालको दृष्टिकोणले विस्तारलाई व्यवस्थित राख्नको लागि सिलिकन सामग्रीसँग सिलिकन-ग्रेफाइट मिश्रणहरू सामान्यतया १०% भन्दा कम प्रयोग गर्दछ। तैपनि, पहिलो-चक्र अपरिवर्तनीय क्षमता हानि 15-सिलिकन युक्त एनोडहरूमा 25% र शुद्ध ग्रेफाइटको लागि 5-10% चल्छ।

सेल निर्माण र ढाँचाहरू

बेलनाकार कोशिकाहरू सायद धेरै जसो मानिसहरूले "ब्याट्री" सोच्दा चित्रण गर्छन्। 18650 ढाँचा (18mm व्यास, 65mm लम्बाइ) 2000 को प्रारम्भमा ल्यापटप निर्माताहरूले यसलाई मानकीकरण गरेपछि सर्वव्यापी भयो। टेस्लाले ती मध्ये हजारौंलाई मौलिक रोडस्टरमा प्रयोग गर्यो। सामान्य 18650 क्षमता 2,000-3,500 mAh चल्छ रसायन विज्ञान मा निर्भर गर्दछ र तपाइँ ऊर्जा वा शक्ति को लागी अनुकूलन गर्नुहुन्छ।

नयाँ 21700 ढाँचा (21mm × 70mm) जुन Tesla र Panasonic ले संयुक्त रूपमा विकास गरेको छ प्रति सेल-4,000-5,000 mAh मा लगभग 50% बढी ऊर्जा प्रदान गर्दछ। ठूलो व्यासले सक्रिय सामग्रीको अनुपातलाई निष्क्रिय कम्पोनेन्टहरू (हालको कलेक्टरहरू, क्यान, सुरक्षा उपकरणहरू) बढाउँछ, प्याक स्तरमा ऊर्जा घनत्व सुधार गर्दछ। निर्माण लाइनहरू पुन: टुल गर्नुपर्‍यो, जुन अंगीकरणले केही समय लिनुको अंश हो।

प्रिज्म्याटिक सेलहरू अटोमोटिभ उद्योगको राम्रो ठाउँको उपयोगको इच्छाबाट आएको हो। सिलिन्डरहरूले एउटा बाकस भर्नुको सट्टा र त्यो सबै खाली ठाउँ छोड्नुको सट्टा, तपाईंले आयताकार कक्षहरू बनाउनु हुन्छ जुन कुशलतापूर्वक स्ट्याक हुन्छ। अटोमोटिभ-ग्रेड प्रिज्म्याटिक सेलहरू 20Ah देखि 100Ah क्षमता भन्दा बढी हुन्छन्। तिनीहरू थर्मल गर्न सजिलो हुन्छ-प्याकेजिङ दृष्टिकोणबाट व्यवस्थापन गर्न सकिन्छ किनकि तपाईंले शीतल प्लेटहरू सिधै समतल पक्षहरूमा राख्न सक्नुहुन्छ। नकारात्मक पक्ष यो हो कि तपाईंले आफ्नो सबै अण्डाहरू थोरै टोकरीहरूमा पाउनुभयो-यदि एउटा ठूलो प्रिज्म्याटिक सेल असफल भयो भने, तपाईंले एउटा सानो बेलनाकार सेल असफल भएमा भन्दा बढी क्षमता गुमाउनुहुन्छ।

थैली कोशिकाहरूले धातुलाई पूर्ण रूपमा हटाएर स्पेस दक्षता विचारलाई अगाडि बढाउँछन्। सेललाई लचिलो एल्युमिनियम-लेमिनेट पाउचमा बन्द गरिएको छ। यसले 10-प्रिज्म्याटिक क्यानको तुलनामा 15% वजन बचत गर्छ, र ढाँचा अत्यन्तै लचिलो छ-तपाईले तिनीहरूलाई कुनै पनि आकार वा आकार बनाउन सक्नुहुन्छ जुन अनुप्रयोगलाई आवश्यक छ। EV निर्माताहरूले तिनीहरूलाई मन पराउँछन् किनभने तपाईंले तिनीहरूलाई शीतल प्लेटहरूमा सिधै स्ट्याक गर्न सक्नुहुन्छ। कमजोरी मेकानिकल हो: साइकल चलाउँदा इलेक्ट्रोड डेलेमिनेशन रोक्नको लागि तिनीहरूलाई बाह्य कम्प्रेसन चाहिन्छ, र तिनीहरू पंचर क्षतिको लागि बढी कमजोर हुन्छन्।

विभाजक प्रविधि

विभाजकले धेरै ध्यान प्राप्त गर्दैन, तर यो तर्कसंगत सबैभन्दा महत्वपूर्ण सुरक्षा घटक हो। यो पातलो (१६-२५ μm सामान्यतया) छिद्रयुक्त झिल्ली हो जसले एनोड र क्याथोडलाई छुनबाट रोक्छ जबकि लिथियम आयनहरू पार गर्न अनुमति दिन्छ। प्रारम्भिक विभाजकहरू एकल-तह पोलिथिलीन (पीई) वा पोलीप्रोपाइलीन (पीपी) थिए।

आधुनिक उच्च-कार्यसम्पादन विभाजकहरूले ट्राइलेयर संरचनाहरू प्रयोग गर्छन्, सामान्यतया PP/PE/PP। PE तहमा PP (165 डिग्री) भन्दा कम पग्लने बिन्दु (135 डिग्री) छ। यदि सेल अधिक तताउन थाल्छ भने, PE पग्लिन्छ र छिद्रहरूमा भरिन्छ, तापक्रम खतरनाक स्तरमा पुग्नु अघि आयनिक यातायात बन्द हुन्छ। यसलाई थर्मल शटडाउन भनिन्छ, र यो थर्मल रनअवे अघि रक्षाको अन्तिम लाइन हो।

सिरेमिक- लेपित विभाजकहरूले अर्को सुरक्षा मार्जिन थप्छन्। विभाजकको एक वा दुबै छेउमा एल्युमिना वा अन्य सिरेमिक कणहरूको पातलो (2-4 μm) कोटिंगले पोलिमर पग्लिए पनि संरचनात्मक अखण्डता कायम राख्छ। कोटिंग पर्याप्त छिद्रपूर्ण छ कि आयनिक यातायात जारी रहन्छ, तर यसले इलेक्ट्रोडलाई 150 डिग्री भन्दा माथिको तापक्रममा पनि छोटो-सर्किट हुनबाट रोक्छ। यसको नकारात्मक पक्ष भनेको लागत-सिरेमिक-कोटेड सेपरेटरहरू २-३× मानक विभाजकको मूल्यमा र अलिकति उच्च प्रतिबाधा हो।

पोरोसिटी सामान्यतया ४०-५०% चल्छ। धेरै कम र आयनिक प्रतिरोध माथि जान्छ, पावर क्षमता सीमित। धेरै उच्च र यान्त्रिक शक्ति ग्रस्त छ। छिद्र आकार वितरण पनि महत्त्वपूर्ण छ; Gurley नम्बर (हवा पारगम्यता परीक्षण) एक मानक विनिर्देश हो। धेरैजसो EV-ग्रेड विभाजकहरू २००-४०० सेकेन्ड/१०० सीसी लक्ष्य हुन्छन्।

इलेक्ट्रोलाइट संरचना र additives

लिथियम आयन सेलमा इलेक्ट्रोलाइट तपाईले सोच्नु भन्दा बढी जटिल छ। आधार सूत्र सामान्यतया लिथियम नुन हो-LiPF₆ (लिथियम हेक्साफ्लोरोफोस्फेट) ९५%+ कोशिकाहरूमा-जैविक कार्बोनेटको मिश्रणमा घुलनशील। सामान्य विलायकहरूमा इथिलीन कार्बोनेट (EC), डाइमिथाइल कार्बोनेट (DMC), डाइथाइल कार्बोनेट (DEC), र इथाइल मिथाइल कार्बोनेट (EMC) समावेश छन्।

LiPF₆ एकाग्रता सामान्यतया 1.0 देखि 1.2 M (मोलर) को आसपास हुन्छ। उच्च एकाग्रताले एक बिन्दु सम्म आयनिक चालकता सुधार गर्दछ, तर 1.3 M भन्दा माथि वा तपाईंले कम तापमानमा नुन वर्षा प्राप्त गर्न थाल्नुहुन्छ। LiPF₆ मा समस्याहरू छन्-यो आर्द्रता-संवेदनशील छ र 60 डिग्री भन्दा माथि सड्न थाल्छ -तर LiBOB वा LiFSI जस्ता विकल्पहरूले लागत वा अन्य ट्रेडअफहरूको कारणले यसलाई अझै विस्थापित गरेका छैनन्।

कार्बोनेट विलायक मिश्रण अनुप्रयोगको लागि ट्युन हुन्छ। EC सँग उच्च डाइलेक्ट्रिक स्थिर र राम्रो SEI- बन्ने गुणहरू छन्, तर यो ३६ डिग्रीमा फ्रिज हुन्छ। तपाईंले यसलाई कम-तापमान कार्यसम्पादन कायम राख्न DMC वा EMC जस्ता तल्लो-भिस्कोसिटी कार्बोनेटहरूसँग मिश्रण गर्न आवश्यक छ। एक सामान्य सूत्र EC:DMC 1:1 भोल्युम वा EC:EMC 3:7 हुन सक्छ। सही अनुपातहरू स्वामित्व र नजिकबाट संरक्षित छन्।

additives जहाँ वास्तविक रसायन जादू हुन्छ। आधुनिक इलेक्ट्रोलाइटहरूमा SEI गठन परिमार्जन गर्ने, ओभरचार्ज रोक्न, ग्यास उत्पादन रोक्न, वा उच्च-तापमान स्थिरता सुधार गर्ने विभिन्न additives को वजनद्वारा 2-5% हुन्छ। 1-2% मा Vinylene कार्बोनेट (VC) ग्रेफाइट एनोडहरूमा SEI गुणस्तर सुधार गर्नको लागि लगभग विश्वव्यापी छ। Fluoroethylene कार्बोनेट (FEC) सिलिकन युक्त एनोडहरूको लागि राम्रो काम गर्दछ। यी यौगिकहरूले प्रारम्भिक चार्जिङ चक्रहरूमा प्राथमिकताका रूपमा घटाउँछन्, एनोडमा सुरक्षात्मक तह बनाउँछन् जुन आयनिक रूपमा प्रवाहकीय तर इलेक्ट्रोनिक रूपमा इन्सुलेट हुन्छ।

ओभरचार्ज सुरक्षा additives जस्तै biphenyl वा cyclohexylbenzene 4.5V वरिपरि पोलिमराइज गर्न थाल्छ, एक आन्तरिक शन्ट सिर्जना गर्दछ जसले भोल्टेजलाई थप चढ्नबाट रोक्छ। यदि BMS असफल भएमा यसले तपाईंलाई केही सुरक्षा दिन्छ, यद्यपि यसमा भर पर्नु स्पष्ट रूपमा डिजाइन उत्तम अभ्यास होइन।

ठोस इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस गठन

SEI सायद कम से कम बुझिएको तर लिथियम आयन ब्याट्री सञ्चालनको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण पक्ष हो। पहिलो केही चार्जिङ चक्रहरूमा, इलेक्ट्रोलाइट कम्पोनेन्टहरूले एनोड सतहसँग प्रतिक्रिया गर्दछ, एक निष्क्रिय तह बनाउँछ। यो तह महत्वपूर्ण छ: यो ionically प्रवाहकीय हुनुपर्छ (लिथियम आयनहरू मार्फत अनुमति दिन) तर इलेक्ट्रोनिक रूपमा इन्सुलेट (थप इलेक्ट्रोलाइट विघटन रोक्न)। SEI संरचना एक गडबडी हो- दर्जनौं लिथियम लवण, जैविक यौगिकहरू, र पोलिमरहरू सबै 10-100 nm बाक्लो तहमा मिसाइन्छ।

राम्रो SEI गठन भनेको 500 पटक साइकल गर्ने सेल र 3,000 पटक साइकल गर्ने सेल बीचको भिन्नता हो। समस्या यो हो कि SEI स्थिर छैन। एनोडमा भोल्युम परिवर्तनको क्रममा यो क्र्याक हुन्छ, ताजा सतहलाई उजागर गर्दछ जसले क्षतिको मर्मत गर्न अधिक इलेक्ट्रोलाइट र लिथियम खपत गर्दछ। यही कारणले गर्दा तपाईं सेलसँग कोमल हुनुभएको बेला पनि साइकल चलाउँदा क्षमता घट्छ।

गठन साइकल चलाउने एक महत्वपूर्ण निर्माण चरण हो। प्रारम्भिक SEI स्थापित गर्न कोशिकाहरूले एक वा बढी ढिलो चार्ज-नियन्त्रित तापक्रममा डिस्चार्ज चक्रहरू पार गर्छन्। गठन प्रोटोकलहरू स्वामित्व हुन्, तर सामान्य पहिलो-साइकल चार्ज दरहरू C/20 देखि C/10 हो, र प्रक्रियाले 24-48 घण्टा लिन सक्छ। निर्माताहरूले निर्माण भोल्टेज सीमाहरू, तापक्रम, विश्राम अवधिहरू, र साइकल चलाउने ढाँचाहरूलाई सबैभन्दा स्थिर SEI सम्भव उत्पादन गर्न अनुकूलन गर्छन्। यो गलत पाउनुले तपाईलाई साइकल जीवन खर्च गर्दछ।

क्यालेन्डर बुढ्यौली-सेल त्यहाँ बस्दा पनि क्षमतामा कमी- ठूलो मात्रामा SEI घटना पनि हो। SEI ले साइकल योग्य लिथियम खपत गर्दै खुला सर्किटमा बिस्तारै बढ्दै गइरहेको छ। चार्जको उच्च अवस्था र उच्च तापक्रममा भण्डारणले यसलाई गति दिन्छ। 100% SOC र 60 डिग्रीमा भण्डारण गरिएको सेलले एक वर्षमा 20% क्षमता गुमाउन सक्छ, जबकि 50% SOC र 25 डिग्रीमा समान सेलले 3% गुमाउन सक्छ।

चार्जिङ प्रोटोकल र ब्याट्री व्यवस्थापन

लिथियम आयन कोशिकाहरू ओभरचार्ज, अधिक{0}} डिस्चार्ज, र अनुपयुक्त तापक्रममा चार्ज गर्न संवेदनशील हुन्छन्। यसैले प्रत्येक बहु-सेल ब्याट्री प्याकलाई BMS (ब्याट्री व्यवस्थापन प्रणाली) चाहिन्छ।

मानक चार्जिङ विधि स्थिर वर्तमान / स्थिर भोल्टेज (CC-CV) हो। CC चरणको दौडान, तपाईले सेलमा एक निश्चित दरमा प्रवाहलाई धक्का दिनुहुन्छ-सामान्यतया धेरै कक्षहरूको लागि 0.5C देखि 1C, यद्यपि केही उच्च-शक्ति कक्षहरूले 3C वा बढी ह्यान्डल गर्न सक्छन्। सेल चार्ज हुँदा भोल्टेज बढ्छ। जब भोल्टेज माथिल्लो सीमामा पुग्छ (धेरै रसायनशास्त्रका लागि 4.2V, LFP का लागि 3.65V, 4.3V वा 4.35V केही उच्च-ऊर्जा NMC भेरियन्टका लागि), तपाईंले CV मोडमा स्विच गर्नुहुन्छ। सेल पूर्ण चार्जमा पुग्ने बित्तिकै वर्तमान ट्यापर्स बन्द हुन्छ, सामान्यतया C/20 वा C/50 भन्दा तल खस्दा काटिन्छ।

फास्ट चार्जिङ झन् जटिल छ। उच्च चार्ज दरले एनोडमा लिथियम प्लेटिङलाई गति दिन्छ, जुन खतरनाक-धातु लिथियम अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हुन्छ र यसले विभाजकमा प्रवेश गर्ने आन्तरिक शर्ट्स वा डेन्ड्राइट गठन गर्न सक्छ। छिटो-सुरक्षित रूपमा चार्ज गर्न, तपाइँले लिथियम प्लेटिङ सुरु हुने अवस्थाहरूसँग भोल्टेज, वर्तमान, र तापक्रम कसरी अन्तरक्रिया गर्छ भनेर बुझ्न आवश्यक छ।

मुद्दा यो हो कि तपाइँ लिथियम प्लेटिङ सीधा सील सेल मा मापन गर्न सक्नुहुन्न। तपाईंले यसलाई अन्य संकेतहरूबाट अनुमान लगाउनु पर्छ। एउटा दृष्टिकोण भनेको एनोड सम्भाव्यता बनाम लिथियम धातु सन्दर्भ ट्र्याक गर्नु हो। यदि एनोड सम्भाव्यता Li/Li⁺ बनाम 0V तल जान्छ भने, प्लेटिङ भइरहेको छ। समस्या हो, धेरैजसो व्यावसायिक कक्षहरूमा सन्दर्भ इलेक्ट्रोडहरू छैनन्।

छिटो चार्ज गर्दा तापमान वृद्धि पनि महत्त्वपूर्ण छ। 2C मा चार्ज हुने सेलले यसको आन्तरिक तापक्रम 15-सक्रिय कूलिङको साथमा पनि परिवेश माथि २० डिग्री बढेको देख्न सक्छ। चिसो तापक्रममा, यो वास्तवमा उपयोगी छ-चिसो सेल (भन्नुहोस् -१० डिग्री) मा धेरै कमजोर पावर क्षमता छ, तर यदि तपाइँ यसलाई मध्यम दर (०.५C) मा चार्ज गरेर न्यानो गर्न सक्नुहुन्छ भने, प्रदर्शन सुधार हुन्छ। केही EVs ले वास्तवमा यो उद्देश्यका लागि गर्छ: चिसो मौसममा, चालकले एक्सेलेरेशनको लागि उच्च शक्तिको माग गर्नु अघि ब्याट्रीलाई न्यानो पार्न उनीहरूले छोटो उच्च-वर्तमान चार्ज पल्स चलाउनेछन्।

सेल सन्तुलन आवश्यक छ किनभने श्रृंखलामा कोशिकाहरू कहिल्यै पूर्ण रूपमा मिल्दैनन्। उत्पादन सहिष्णुता, सेल्फ-डिस्चार्ज दरहरूमा सानो भिन्नता, र प्याकभरि थर्मल ग्रेडियन्टहरूले भोल्टेज बहाव निम्त्याउँछ। यदि तपाइँ सन्तुलन बिना श्रृंखला स्ट्रिङ चार्ज गर्नुहुन्छ भने, केहि सेलहरूले अरूको अगाडि माथिल्लो भोल्टेज सीमामा हिट गर्छन्। बलियो कोशिकाहरू कम चार्ज हुन्छन्, कमजोर कोशिकाहरू ओभरचार्ज हुन्छन्, र प्रदर्शनमा असर पर्छ।

निष्क्रिय सन्तुलनले उच्च - भोल्टेज कक्षहरूबाट उर्जा निकाल्न प्रतिरोधकहरू प्रयोग गर्दछ। यो सरल र सस्तो छ तर गर्मीको रूपमा ऊर्जा बर्बाद गर्दछ। सक्रिय सन्तुलनले उच्च कक्षहरूबाट न्यून कक्षहरूमा ऊर्जा स्थानान्तरण गर्न DC-DC कन्भर्टर वा क्यापेसिटरहरू प्रयोग गर्दछ। अधिक कुशल, अधिक जटिल, अधिक महंगा। 400V EV प्याकको लागि, निष्क्रिय सन्तुलनले 50-100W लगातार बर्बाद गर्न सक्छ, जुन ड्राइभिङ पावरको तुलनामा नगण्य छ तर समयसँगै थपिन्छ।

थर्मल व्यवस्थापन विचारहरू

लिथियम आयन सेलमा तातो उत्पादन तीन स्रोतहरूबाट आउँछ: अपरिवर्तनीय ताप (आन्तरिक प्रतिरोधबाट जुल ताप), उल्टो ताप (विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाको एन्ट्रोपी परिवर्तन), र साइड प्रतिक्रियाबाट गर्मी। कम देखि मध्यम C- दरहरूमा, उल्टाउन मिल्ने ताप हावी हुन्छ। उच्च C- दरहरूमा, अपरिवर्तनीय तापले लिन्छ।

उल्टाउन मिल्ने तातो शब्द चाखलाग्दो छ किनभने यसले SOC को आधारमा चिन्ह परिवर्तन गर्छ। धेरैजसो लिथियम आयन रसायनका लागि, चार्ज गर्दा कम SOC मा ताप उत्पन्न हुन्छ तर उच्च SOC मा तातो अवशोषित हुन्छ। डिस्चार्जिङले उल्टो गर्छ। क्रसओभर बिन्दु सामान्यतया लगभग 50-60% SOC हुन्छ। यसैले तपाईले सेलको तापक्रम वास्तवमा चार्जको अन्तिम चरणमा घटेको देख्न सक्नुहुन्छ यदि वर्तमान पर्याप्त कम छ।

आन्तरिक प्रतिरोध तापमान, SOC, र उमेर अनुसार फरक हुन्छ। 25 डिग्रीमा, एउटा ताजा 18650 सेलमा 40-60 milliohms DC प्रतिरोध हुन सक्छ। -20 डिग्री मा, त्यो 200-300 milliohms मा उफ्रन सक्छ। यही कारणले गर्दा चिसो मौसमको EV दायरा नाटकीय रूपमा घट्छ। न केवल कम तापक्रममा रसायन विज्ञान सुस्त हुन्छ, तर आन्तरिक प्रतिरोध वृद्धिको मतलब ब्याट्रीको अधिक ऊर्जा सेल भित्रको तापको रूपमा बर्बाद हुन्छ।

थर्मल रनअवे थ्रेसहोल्ड रसायन विज्ञान मा निर्भर गर्दछ। NMC कोशिकाहरूको लागि, एक्जोथर्मिक अपघटन प्रतिक्रियाहरू 180-220 डिग्रीको वरिपरि सुरु हुन्छ। एक पटक सुरु भएपछि, तापमान 10-50 डिग्री प्रति सेकेन्डमा बढ्न सक्छ, 800 डिग्री वा माथि पुग्न सक्छ। LFP धेरै सुरक्षित छ; थर्मल रनअवे शुरुआत 270 डिग्री + र अधिकतम तापक्रम कम छ।

प्याकमा कोशिकाहरू बीचको प्रचार वास्तविक खतरा हो। यदि एउटा कोष थर्मल रनअवेमा जान्छ भने, यसले छिमेकीहरूलाई तताउँछ। छिमेकी कोशिकाहरू पनि भाग्छन् कि छैनन् भन्ने कुरा कूलिङ क्षमता, सेल स्पेसिङ र इन्सुलेशनमा भर पर्छ। UL 9540A प्रचार परीक्षणले एउटा सेललाई थर्मल रनअवेमा जबरजस्ती गरेर र छेउछाउका कोशिकाहरू पछ्याउँछन् कि छैनन् भनेर निगरानी गरेर यसलाई अनुकरण गर्दछ। राम्रो प्याक डिजाइनले एउटा सेल वा धेरैमा सानो मोड्युलमा असफलता समावेश गर्दछ।

शीतलन रणनीतिहरू भिन्न हुन्छन्। हावा कूलिंग सबैभन्दा सरल- सेल वा प्याकमा हावा उडाउने हो। PHEV हरू वा ऊर्जा भण्डारण प्रणालीहरू जस्ता कम शक्ति घनत्व अनुप्रयोगहरूको लागि ठीक काम गर्दछ। उच्च प्रदर्शन EVs को लागि तरल कूलिंग आवश्यक छ। धेरैजसो डिजाइनहरूले चिसो प्लेटहरू वा कूलिङ च्यानलहरू मार्फत १०-२५ लिटर प्रति मिनेटमा ५०:५० पानी-ग्लाइकोल मिक्स प्रयोग गर्छन्। इनलेट तापमान सामान्यतया 20-35 डिग्री सम्म नियन्त्रण गरिन्छ। ब्याट्री प्याक तापमान ढाँचाहरू तातो कोशिकाहरूको द्रुत बुढ्यौलीबाट बच्नको लागि 5 डिग्री अधिकतम देखि मिनेट सम्म रहनु पर्छ।

केही प्रयोगात्मक डिजाइनहरूले रेफ्रिजरेन्ट कूलिङ, डाइइलेक्ट्रिक फ्लुइडमा डुब्ने कूलिङ, वा फेज-सामग्री परिवर्तन गर्ने प्रयोग गर्दछ। रेफ्रिजरेन्ट कूलिङले बढी तातो तान्न सक्छ तर अझ जटिल एसी प्रणाली चाहिन्छ। इमर्सन कूलिङमा उत्कृष्ट तातो स्थानान्तरण गुणांकहरू छन् (500-2,000 W/m²K बनाम 50-150 W/m²K अप्रत्यक्ष तरल चिसोको लागि) तर सिलिङ र तरल पदार्थ अनुकूलता चुनौतीहरू हुन्। PCMs निष्क्रिय रूपमा काम गर्दछ तर भण्डारण गरिएको गर्मीलाई अन्ततः अस्वीकार गर्न आवश्यक छ, त्यसैले तिनीहरू मुख्यतया द्रुत चार्ज वा कडा प्रवेगको समयमा क्षणिक शीतलनमा मद्दत गर्दछ।

प्रदर्शन गिरावट र विफलता मोडहरू

क्षमता फेड र प्रतिबाधा वृद्धि दुई मुख्य गिरावट संयन्त्र हो। तिनीहरू एकैसाथ हुने विभिन्न भौतिक र रासायनिक प्रक्रियाहरूको कारणले गर्दा हुन्छन्।

एनोड पक्षमा, SEI वृद्धिले साइकल योग्य लिथियम र इलेक्ट्रोलाइट खपत गर्दछ, प्रतिरोध बढाउँछ। ग्रेफाइट एक्सफोलिएशन हुन सक्छ यदि सेललाई कम तापक्रममा चार्ज गरिएको छ- ग्रेफाइट सतहमा लिथियम प्लेटहरू इन्टरक्यालेटिंगको सट्टामा, र जब यसले अन्ततः इन्टरक्यालेट गर्छ, यसले ग्रेफाइट संरचनालाई टुक्राउँछ। यो अक्सर अपरिवर्तनीय छ। उच्च तापमानमा बाइन्डर विघटनले कणहरू बीचको विद्युतीय सम्पर्क गुमाउँछ।

क्याथोड डिग्रेडेसनमा ट्रान्जिसन मेटल विघटन (विशेष गरी LMO वा म्याङ्गनीजमा म्यांगनीज-NMC समावेश), दोहोरिने लिथियम इन्सर्सन/निकासीबाट संरचनात्मक परिवर्तन, र उच्च-निकेल क्याथोडहरूमा सतह पुनर्निर्माण समावेश हुन्छ। विघटित ट्रान्जिसन धातुहरू एनोडमा माइग्रेट हुन्छन् जहाँ तिनीहरू SEI वृद्धिलाई उत्प्रेरित गर्छन्, त्यसैले क्याथोड डिग्रेडेसनले अप्रत्यक्ष रूपमा एनोड डिग्रेडेसनलाई गति दिन्छ।

उच्च भोल्टेज र उच्च तापक्रममा इलेक्ट्रोलाइट विघटन र ग्यास उत्पादन ठूलो समस्या हो। साधारण ग्यासहरूमा CO₂, CO, र कार्बोनेट विघटनबाट विभिन्न हाइड्रोकार्बनहरू समावेश हुन्छन्। थैली कक्षहरूमा, तपाईंले पाउच स्पष्ट रूपमा फुलिएको देख्नुहुनेछ। कडा केस भएका बेलनाकार वा प्रिज्म्याटिक कोशिकाहरूमा, सेफ्टी भेन्ट नखुलेसम्म (सामान्यतया १०-१५ बारमा) दबाब बढ्छ।

लिथियम सूची को हानि एक प्रमुख फीका संयन्त्र हो। प्रत्येक पटक जब SEI बढ्छ वा एनोडमा लिथियम प्लेटहरू अपरिवर्तनीय रूपमा, केही लिथियम साइकल योग्य लिथियमको पूलबाट बाहिर निकालिन्छ। अन्ततः तपाईं रनआउट हुनुहुन्छ र क्षमता घट्छ।

आन्तरिक शर्ट्सबाट अचानक विफलता हुन सक्छ। धेरैजसो सर्टहरू सानो सुरु हुन्छ-एक सानो धातुको कणले विभाजकलाई छेक्छ, वा लिथियम डेन्ड्राइट बढ्छ। छोटोले तातो ठाउँ सिर्जना गर्दछ, जसले स्थानीय रूपमा गिरावटलाई गति दिन्छ, जसले छोटोलाई खराब बनाउँछ, र तपाईंले सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप प्राप्त गर्नुहुन्छ। कहिलेकाहीँ सेल स्वयं- निको हुन्छ यदि छोटो पग्लिन्छ भने। अन्य समयमा यो थर्मल रनअवेमा बढ्छ।

नङ प्रवेश परीक्षण (चार्ज गरिएको सेल मार्फत एक इस्पात कील जबरजस्ती) एक मानक दुरुपयोग परीक्षण हो। LFP कोशिकाहरू सामान्यतया नेल प्रवेशबाट थर्मल रनवेमा जान सक्दैनन्। NMC कोशिकाहरू प्रायः गर्छन्, यद्यपि राम्रो विभाजक र कम विशिष्ट ऊर्जाको साथ डिजाइनहरू कहिलेकाहीं पास हुन सक्छन्।

चित्र 5 प्लट क्षमता रिटेन्सन बनाम साइकल नम्बर मध्यम साइकल चलाउने अवस्थाहरू (1C चार्ज/डिस्चार्ज, 25 डिग्री, 100% DOD) अन्तर्गत धेरै रसायनहरूको लागि।

प्रभारको अवस्था र स्वास्थ्य अनुमानको अवस्था

तपाईं प्रत्यक्ष रूपमा मापन गर्न सक्नुहुन्न कि लिथियम आयन सेलमा कति ऊर्जा छ। तपाईंले यसलाई अन्य मापनबाट अनुमान लगाउनु पर्छ: भोल्टेज, वर्तमान, र तापमान।

सरल SOC अनुमान विधि भोल्टेज-मा आधारित छ। प्रत्येक रसायनको विशेषता खुला-सर्किट भोल्टेज बनाम SOC कर्भ हुन्छ। सेलले केही समय आराम गरेपछि भोल्टेज नाप्नुहोस् (आन्तरिक प्रतिरोध क्षयबाट क्षणिक भोल्टेज घट्न दिन), यसलाई OCV कर्भमा हेर्नुहोस्, र तपाईंलाई SOC थाहा छ। समस्या हो, तपाईसँग सेलको लागि वास्तविक अनुप्रयोगहरूमा आराम गर्न विरलै समय हुन्छ।

Coulomb गणना मानक दृष्टिकोण हो। तपाईले चार्ज इन र आउट ट्र्याक गर्न समयको साथ वर्तमान एकीकृत गर्नुहुन्छ। यदि तपाइँ ज्ञात SOC मा सुरु गर्नुहुन्छ भने, तपाइँ कुनै पनि समयमा नयाँ SOC गणना गर्न सक्नुहुन्छ। शुद्धता तपाईको हालको सेन्सरमा निर्भर गर्दछ (± ०.५% सामान्य छ) र वास्तविक क्षमता थाहा छ। त्रुटिहरू समयको साथमा जम्मा हुन्छन्, त्यसैले तपाईंले आवधिक रूपमा पूर्ण चार्ज वा डिस्चार्ज चक्र गरेर पुन: क्यालिब्रेट गर्न आवश्यक छ।

मोडेल-आधारित विधिहरूले सेलको समतुल्य सर्किट मोडेल वा इलेक्ट्रोकेमिकल मोडेल प्रयोग गर्दछ। तपाइँ टर्मिनल भोल्टेज र वर्तमान मापन गर्नुहुन्छ, तिनीहरूलाई तपाइँको मोडेल मार्फत चलाउनुहोस्, र SOC सहित आन्तरिक अवस्थाहरू निकाल्नुहोस्। विस्तारित Kalman फिल्टर वा समान राज्य पर्यवेक्षकहरू सामान्य छन्। यी दृष्टिकोणहरू धेरै सहि हुन सक्छन् (±2% SOC त्रुटि) तर राम्रो मोडेलहरू र महत्त्वपूर्ण कम्प्युटेसनल स्रोतहरू चाहिन्छ।

SOH अनुमान गर्न गाह्रो छ किनभने तपाईं पतन परिमाण गर्न प्रयास गर्दै हुनुहुन्छ, जुन ढिलो र क्रमिक छ। क्षमता फेड र प्रतिबाधा वृद्धि आवश्यक रूपमा एक अर्का वा चक्र गणना संग रैखिक रूपमा सहसंबद्ध छैन। धेरै छिटो चार्ज भएको सेलमा उच्च प्रतिबाधा हुन सक्छ तर मध्यम क्षमता मात्र फेड हुन्छ। उच्च SOC/तापमानमा भण्डारण गरिएको सेलमा महत्त्वपूर्ण क्षमता फेड हुन सक्छ तर अपेक्षाकृत कम प्रतिबाधा वृद्धि हुन सक्छ।

उद्योग अभ्यास क्षमताको आधारमा SOH परिभाषित गर्नु हो: यसको मूल क्षमताको 80% को सेल 80% SOH मा हुन्छ, र यसलाई प्राय: EV अनुप्रयोगहरूको लागि जीवनको-अन्त मानिन्छ। सेल अझै पनि काम गर्दछ, तर दायरा 20% घटेको छ। ऊर्जा भण्डारण अनुप्रयोगहरूको लागि, कक्षहरू 60-70% SOH सम्म प्रयोग गर्न सकिन्छ।

केही BMS हरूले आवधिक क्षमता जाँचहरू{0}} कम दरमा ब्याट्री पूर्ण रूपमा डिस्चार्ज गर्छन् र कति ऊर्जा बाहिर आउँछ मापन गर्छन्। यो सही तर हस्तक्षेपकारी छ (परीक्षणको क्रममा ब्याट्री उपलब्ध छैन) र घण्टा लाग्छ। अन्य दृष्टिकोणहरूले भोल्टेज कर्भ, प्रतिबाधा मापन, वा कूलम्बिक दक्षताबाट अप्रत्यक्ष रूपमा क्षमता अनुमान गर्ने प्रयास गर्छन्।

आन्तरिक प्रतिरोध एक वर्तमान पल्स लागू गरेर र भोल्टेज प्रतिक्रिया मापन गरेर, वा विभिन्न फ्रिक्वेन्सीहरूमा सानो एसी सिग्नल इन्जेक्सन गरेर (इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी) मापन गर्न सकिन्छ। EIS ले धेरै अधिक जानकारी दिन्छ तर विशेष हार्डवेयर चाहिन्छ जुन कमर्शियल BMS मा विरलै उपस्थित हुन्छ।

दोस्रो-जीवन अनुप्रयोग र पुन: प्रयोग

जब एक EV ब्याट्रीको आयु--(सामान्यतया ७०-मूल क्षमताको ८०%) समाप्त हुन्छ, यो अझै पनि कम माग भएका अनुप्रयोगहरूको लागि पूर्ण रूपमा कार्यात्मक हुन्छ। स्थिर ऊर्जा भण्डारणको लागि दोस्रो-जीवन ब्याट्री प्रयोगले कर्षण प्राप्त गर्दैछ।

अर्थशास्त्र पेचिलो छ। तपाईंले सेवानिवृत्त प्याकको परीक्षण गर्नुपर्नेछ, सम्भावित रूपमा यसलाई पुन: निर्माण गर्नुहोस् (BMS, कुलिङ प्रणाली, वा क्षतिग्रस्त मोड्युलहरू प्रतिस्थापन गर्नुहोस्), नयाँ अनुप्रयोगको लागि प्रमाणित गर्नुहोस्, र वारेन्टी प्रदान गर्नुहोस्। यो सबै पैसा खर्च हुन्छ। दोस्रो-जीवनको अर्थ बनाउनको लागि, नविकरण गरिएको प्याकको लागत स्थिर अनुप्रयोगको लागि डिजाइन गरिएको नयाँ प्याक भन्दा धेरै कम हुनुपर्छ। नयाँ प्याक लागतको 40-50% भन्दा कम नविकरण गर्दा पनि लागत घट्छ, जसको विश्लेषण तपाईंले विश्वास गर्नुहुन्छ भन्ने आधारमा।

सेवानिवृत्त कक्षहरूको परीक्षण गैर- तुच्छ हो। एक मोड्युलले शृङ्खला-समानान्तरमा सयौं कक्षहरू समावेश गर्न सक्छ। तपाईं सजिलै तिनीहरूलाई व्यक्तिगत रूपमा परीक्षण गर्न सक्नुहुन्न। तपाईले एकाइको रूपमा मोड्युल परीक्षण गर्न सक्नुहुन्छ, तर एउटा खराब सेलले आफैलाई मास्क गर्न सक्छ। केही ह्रास मोडहरू विनाशकारी परीक्षण बिना पत्ता लगाउन गाह्रो छ। त्यहाँ दायित्व प्रश्न पनि छ: यदि एक सेकेन्ड-ब्याट्रीमा आगो लाग्यो भने, को जिम्मेवार छ?

रिसाइकिलिंग जीवन मार्गको-परम अन्त हो। हालको ठूला-स्केल रिसाइक्लिङले पाइरोमेटालर्जी (स्मेलिङ) वा हाइड्रोमेटालर्जी (रासायनिक लीचिङ) प्रयोग गर्छ। पाइरोमेटालर्जी सरल छ तर कम चयनशील-तपाईले मिश्रित धातु मिश्रहरू प्राप्त गर्नुहुन्छ जसलाई थप परिष्कृत गर्न आवश्यक छ। हाइड्रोमेटालर्जीले उच्च शुद्धतामा व्यक्तिगत धातुहरू पुन: प्राप्ति गर्न सक्छ तर थप कदमहरू चाहिन्छ र रासायनिक अपशिष्ट उत्पन्न गर्दछ।

रिसाइक्लिंगको अर्थशास्त्र धातुको मूल्यमा धेरै निर्भर हुन्छ। कोबाल्ट मूल्यवान छ (लगभग $30-40/किग्रा ऐतिहासिक रूपमा, यद्यपि मूल्यहरू अत्याधिक रूपमा बढ्दै गएको छ), त्यसैले कोबाल्टको रिचाइक्लिंग-रिच रसायन आर्थिक रूपमा व्यवहार्य छ। निकेल स्केलमा पुन: प्रयोग गर्न लायक छ। म्याङ्गनीज, फलाम, र एल्युमिनियम कम मूल्यका धातुहरू हुन्, त्यसैले रिसाइक्लिंगले मुख्यतया तिनीहरूलाई ल्यान्डफिलहरूबाट टाढा राख्नको लागि अर्थपूर्ण हुन्छ। लिथियम चाखलाग्दो छ - यो प्रति किलोग्राम विशेष मूल्यवान छैन, तर आपूर्ति अवरोधहरूले रिकभरी आकर्षक बनाउँछ।

प्रत्यक्ष रिसाइक्लिङ्ग-ब्याट्रीलाई छुट्याउन र क्याथोड वा एनोड सामाग्रीलाई धातुको लवणमा नछोडिकन सीधै पुन: प्रयोग गर्ने- तातो अनुसन्धान क्षेत्र हो। यदि तपाइँ प्रयोगयोग्य रूपमा क्याथोड पाउडर पुन: प्राप्त गर्न सक्नुहुन्छ भने, तपाइँ ऊर्जा र क्याथोड संश्लेषणको लागत बचत गर्नुहुनेछ। चुनौतीहरूमा सक्रिय सामग्रीलाई हालको सङ्कलनकर्ता र बाइन्डरहरूबाट अलग गर्ने, र पुनर्नवीनीकरण गरिएको सामग्री विभिन्न निर्माताहरू, उमेरहरू, र रसायनशास्त्रहरूका कक्षहरूको मिश्रण हो भन्ने तथ्यसँग व्यवहार गर्ने समावेश छ।