聚焦锂分析,锂电池快速充电技术综述|论文简介02-必威体育平台_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!

谈及电动轿车,咱们最关怀的问题是续航。

当时遍及续航400km左右,从大部分出行场景上来说,这个数值真的差不多够了。可是,为什么大部分人(包含我在内),总觉得这个路程远远不够曹达华,期望再加上吐下泻个三五百公里才安心呢?

原因在于充电便利性远远不如加油。

假如燃油车没油了,翻开手机导个航,开个三五公里、山东现花瓶姑娘花个三五分钟总能加上油。充电就不相同了,首要纷歧定能找到充电站,其次即使找到充电站纷歧定能排上队,终究即使排上队了,至少也得充个把小时

限制充电便利性的,主要是充电速度太慢。它有两个限制效应:

  • 充电速度慢,意味着要耽搁电动轿车车主的宝贵时刻,这要计入直接成56本
  • 充电速度慢,意味着租个地盘开充电站的服务功率低,投入产出划不出,直接限制了充电站的遍及程度

车用锂电池快充技能的两个视点

咱们经常将锂电池比如成“水箱模型”[1]:相比较于大部分电池选用的是转化(Conversion)的化学反响,伴随着明显的物质转化进程,而锂离子电池选用的是十分一起的锂嵌入(Intercalation) 化学反响[2],锂离子的确很像倒水相同在正极与负极之间倒来倒去。

已然把锂离子电池比如成水箱模型,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?

这便是所谓的锂电池快充技能问题,要从两个视点来了解:

  • 充电设备的视点:充电桩与车载高压体系,是否具有高功率输出的才能?
  • 从锂电池的视点:在确保安全与寿数的前提下,锂离子电池是否具有接受高功率输入的才能?

近期,保时捷发布了奢华电动轿车Taycan,最有目共睹的便是车载800V高压体系、可支撑350kW的超快充电功率[3]。350kW什么概念?相当于半个小区的空调都停下来,省下来的电一起充入一辆小小的电动轿车。

(保时捷Taycan)

保时捷此举主要是从充电设备的视点来打破技能,这也是轿车主机厂和零部件厂着眼的范畴。实际上,研讨起来更难、或许也更重要的是别的一个视点:锂离子电池是否具有接受高功率输入的才能?

共享的第二篇论文便是评论这一论题唐树龙:[4],翻译成中文便是:“锂离子电池快充问题的总述”。

总述(Review)是个好东西: 要研讨一个范畴,本来要花费很多时刻去查找、阅览、收拾上百篇论文,而现在只需求看一篇高水平的总述就行了!

快充带来了什么风险?

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

热效应很好了解,依据焦耳定律,发热量是电流的平方联系:

J = I^2 R

再考虑到P=UI,从充o型腿电设备的视点来讲,在进步充电功率的状况下不进步电流,只能进步电压,这便是为什么车载800V高压体系对超快充如此重要

车载高压体系的电压提上去了,仅仅下降了充电线缆中的发热量。而锂离子电池单体电芯的电压是不或许大幅进步的,它们有必要忍耐大电流带来的发热量两方面问题:

  • 发热总量:电芯自身的散热功能和电池包全体的散热功能都需求加强。
  • 不均匀性:轿车热办理做得好,不同电芯之间的温差能够做到2C的水平 ,较差也能做到5C的水平[5]。可是,这仅仅电芯外表的温度,快充时内部发作了什么呢

下面两图显现,在快充时电芯内部的最大温差高达10C以上,正极温度最高。

假如给定了电芯,主机厂仅在热办理层面做再多作业,都很难从底子上改善快充时带来的电芯内部温度纷歧致性。为改善这一功能,电芯厂需求专门改善电极资料、电芯规划,论文中均有总述介绍。

热效应的损害是什么呢?两个方面:寿数(Aging)与安全(Safety)

关于寿数(Aging),温度高了会怎么样?咱们能够参阅赵忠详教师的一句台词“春天来了,万物复苏,大草原又到了动物们…………的时节”。锂离子电池寿数衰减的副反响(Side-reaction)和大草原的动物差不多,与温度是强相关。

详细是哪些副反响如此烦躁呢?被提及最多的是甲状腺炎负极SEI膜(Solid electrolyte interphase)成长,其它的可参照上一篇的论文导读[1]中的经典图。

(赵忠详教师的节目截图)

关于安全(Safety)。本年上半年的特斯拉、蔚来自燃事情,我听过吃瓜大众一种直观朴素的了解办法,气候本来就热、充电更热,当电池温度逐步上升到一个临界点之后,就像野草堆相同自己焚烧起来了。这种了解正确吗?

这种了解有正确的一面:电池热失控(Therm格拉伊索al Runaway)的链式反响的确存在温度临界点

如下图所示,热失控的延伸被区分成了3个阶段,纵坐标是对数坐标的产热速率:在任何一个阶段,只需散热速率高于产热速率,热失控就不会继续延伸。一起咱们能够看到,第II阶段的产热速率明显上升(留意,这是对数坐标),这个阶段温度起点T2,对应的便是是吃瓜大众口中的“临界温度”。

那么问题来了,T2有一百多度呢,并不是很简单到达。咱们给它通入电流,是功率聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!高达95%以上的充电行为(产热份额很小),并不是在加热电阻丝。电池包毕竟是半吨重的咱们伙,就算白送给你,加热到100多度也很有难度啊!

所以说,仅凭热效应底子达不到暂时温度T2,电池包并不像野草堆那么风险。那究竟是什么力气,让临界温度T2出其不意地来临?

这就要评论快充带来的析锂(Li plating)效应了 —— 它像一个魔鬼,能大幅下降临界温度T2

锂离子电池是根据锂嵌入(Intercalation) 反响规划,可是当负极电流过大或温度过低时,负极电位低于Li/Li+参阅电极的电位时,就会发作锂金属电池才有的锂转化(Conversion) 反响,发作金属锂,这也便是所谓的析锂(Li plating)。

锂转化(Conversion) 反响十分可怕,它带来的安全事故曾让前途无量的世界第一家锂电池企业Moli Energy破产倒闭[2]。

析锂反响继续发作后,会成长成像树枝相同的结构,咱们称为为锂枝晶。让咱们看看它的姿态[6]:

前期朴素的了解是:锂枝晶不断出产,终究刺穿了正负极之间的隔阂导致内短路(Internal Short Curcuit)[7]. 这种了解直观上说得通,锂枝晶那毕竟是金属啊,刺穿个非金属的薄膜还不是垂手可得?

近年来有别的一种解说,逐步聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!占有优势: 锂金属特别软,出产出来的锂枝晶又不是铸造、铸造出来的,更是软趴趴地站都站不起来的微观形状,怎么或许刺穿隔阂呢[8]?

因而,并不是锂枝晶刺穿隔阂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大为下降,从而使热失控更简单发作

也便是说,快充时的热效应进步了电池温度、析锂效应下降了临界温度,两种效应里应外合,一起导致了热失控的发作

除对安全性的影响外,快充析锂进程中锂离子数量削减,当然也导致了容量的衰减,对电池寿数也造成了影响。此论文还指出,析锂进程似乎是部分过逆的,快充之后只需让电池赶忙歇息一下,锂金属会从头变成锂离子(未能康复的那部分被称为死锂Dead Lithiu西宁汪玉芳m)、临界温度T2也会康复正常的较高值

终究还有一种机械效应,限于篇幅不再胪陈,有爱好的同学能够聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!看论文原文或别的一篇解读[9]。

操控析锂的技能难题—— 无损确诊

前文评论了,快充导致的电池寿数衰减与安全性问题,析锂效应扮演着极为要害的人物。

首要要做的是,合理规划电芯与电池包、透彻了解电池模型、精确估量电池当时状况、操控快充进程,在快充进程中尽量防止析锂现象发作。惋惜的是,关于轿车这种动辙几十万辆的量产产品来说,特别是对咱们锂电池的了解还不透彻萨菲罗斯vs杰内西斯的状况下,全面做到这一点还十分十分地难。

别慌,从析锂到锂枝晶再到锂失控,并不是一个瞬发进程,而是逐步延伸的进程。假如咱们能够在前期就勘探(Detection)到析锂效应,提早采纳防治办法或警示车主赶忙去修,就能够防止发展为热失控而带来人身与财产损失

论文中说到,锂枝晶的勘探办法包含:光学显微镜技能(optical microscoppy)、扫描电镜技能(SEM, Scanning Electron Microscopy)、透射电镜技能(TEM, Transmission聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您! Electron Microscopy)、核磁共振波谱技能(NMR spectroscopy,Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy)、X射线衍射技能发绀(XRD, X-ray diffracation)等。

惋惜的是,这些办法都不是无损确诊(Non-destructive disgnosis),而是需求将电池拆开后调查。关于紧密封装在电池包中的电芯来说,这显然是不切实际的;即使用这些办法来抽检,因为电芯之间存在明显的纷歧致性,抽检的少数电芯也无法说明整个电池包的安全状况。

那有没有无损确诊办法呢? 此论文全面总结了相关研讨,大概有6大类办法如下图所示:1) 阿伦尼乌斯曲线(Arrhenius plot)2) 内阻-容量曲线(Resistance-Capacity) 3聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!) 非线性频响剖析(NFRA, Nonlinear Frequency Response Analysis) 4) 库仑功率剖析(Coulombic efficiency) 5)差分电压剖析(DVA, Differential Voltage Analysis) 6) 容量增量剖析(ICA, Incremental Capacity Analysis)。

已然有这么无损确诊的办法,八仙过海各显神通,总有一个能够起作用的吧?惋惜的是,现实并非如此!

尽管上述剖析办法形形色色,但本质上全面都是相同的电流、电压的外部丈量信号在时刻维度的数学改换:改换个坐标轴、求个微分、算个积分等等。

打个比如,出土一个五千年的古墓,找到一块骨头(电压、电流信号),出个题让你画出骨头主人DNA(锂枝晶状况)。不能说这不或许,但至少是十分困难的;特别是,假如你还不知道、DNA的双螺旋结构模型(锂离子电池析晶机理)的状况下,愈加困难。

还有一种更糟的状况,标题变为:给你一块沉默是金骨头,让你揣度骨头主人的名字。因为骨头中底子不包含此信息,你就算想破了脑袋也揣度不出来啊!此路不通,还不如换个办法,去找找古藉史料呢

对啊,假如从外部的电压、电流信号真实揣度不出来,咱们能够另辟蹊径,找到其它无损勘探锂枝晶的办法吗?

正好,在刚刚完毕的第三届世界电池安全研讨会(IBSW, International Battery Safety Workshop)上,全球锂离子大佬齐聚一堂,就有相关陈述介绍了一种很有期望成功的办法:在电池负极规划一个结构奇妙的传感器,专门勘探析锂现象。若此办法能够成功走出实验室,得以产业化,就能够从底子上处理析锂带来的寿数衰减与安全问题

讲了那么多,吃瓜大众或许会说:这些咱们都不关怀,咱们只想知道啥时候能以北汽新动力的价格享用保时捷Taycan相同的超级快充技能呢

针对这个问题,下面一个技能路线图可供参[6]:

论文下载

这篇论文长达28页,作者就有20多个,鳞次栉比的英文看得我都快郁闷了。上文介绍的,是论文中一些比较简单懂的点,更多精彩内容仍是要看原中山市文,或许看“动力学人”的中文翻译[10]。

本论文源自Elsevier期刊世界交通电动化杂志(eTransportation)第一期,一年内能够免费下载:https://www.sciencedi聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!rect.com/journal/etransportation/vol/1/suppl/C

欢迎轿车电动化的科研与工程大佬向期刊投稿!

论文导读不易,假如对您有协助,就聚集锂剖析,锂电池快速充电技能总述|论文简介02-必威体育渠道_betway必威提款_必威体育亚洲官网欢迎您!点个赞吧!

参阅

[1] 从全生命周期看锂电池寿数衰减 | 论文导读01 https://zhuanlan.zhihu.com/p/83328983

[2] 有哪些「划时代」的存在,「打破」了你现有的认知?

https://www.zhihu.com/question/344181911/answer/816杜世源病逝371551

[3] 怎么点评保时捷 Taycan ?

https://www.zhihu.c亵衣om/question/280402448/answer/814303195

[4] Anna Tomaszewska, Zhengyu Chu, Xuning Feng, et al. Lithium-ion battery fast charging: A review [J]. Journal of eTransportation, 2019 Volume 1

[5] 闲谈轿车热办理

https://zhuanlan.zhihu.com/p/70101842

[6] 褚政宇. 根据降维电化学模型的锂离子动力电池无析锂快充操控. 清华大学博士学位论文.

[7] 怎么看待 4 月 21 日上海地下车库特斯拉 Model S 自燃一事及电动车安全陈曦性问题?https://www.zhihu.com/question/321156142/answer/659113692

[8] Lpez C M, Vaughey J T, Dees D W. Insights into the role of interphasial morphology 养生堂天然维生素eon the electrochemical performance of lithium electrodes[J]. Journal of The Electrochemical Soci竹ety, 2012, 159(6): A873-A886.

[9] 欧阳明高:从资料到体系锂离子电池快充技能全面总结

https://mp.weixin.qq.c宁海om/s/ZLuDJR99KTlG6qpyVBshJQ

[10] 关于快充,有必要重视的关键有哪些?

https://mp.weixin.qq.com/s/hsTJuJ8RScl9A81T3jKPig

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