¿Cuál es el problema clave con la carga súper rápida de la batería lipo power 2s?

Lectura guiada

Este artículo revisa de manera integral los factores que afectan la carga rápida de baterías 2s lipo, los principales problemas y soluciones de la carga rápida desde el nivel de materiales hasta el nivel del sistema.

Introducción al contexto de la carga rápida de baterías 2s lipo

En los últimos años, para limitar el impacto del cambio climático y la contaminación del aire, se está acelerando el uso generalizado de baterías 2s lipo en vehículos eléctricos puros. Sin embargo, en comparación con los vehículos de combustible tradicionales, la ansiedad por la autonomía de las baterías 2s lipo y el largo tiempo de carga se han convertido en los principales problemas que obstaculizan el desarrollo de los vehículos eléctricos. Por lo tanto, la mejora de la capacidad de carga rápida se ha convertido en un objetivo común de desarrollo para los fabricantes de baterías 2s lipo y los OEM.

Refiriéndose a la carga rápida de la batería lipo 2s, el siguiente artículo introduce el principio de carga y descarga de la batería lipo 2s, y los interesados pueden hacer clic para ver:
Principio de carga y descarga de la batería Lipo 4s, ¡asegúrate de almacenarla bien!
Sin embargo, estudios han demostrado que la carga a baja temperatura y alta tasa provoca una degradación acelerada de la capacidad y potencia de salida de la batería; cuestión. Este artículo se centra en la revisión y resumen de la literatura existente, y analiza las limitaciones técnicas clave en cada nivel.

Clasificación de la carga de la batería lipo 2s para vehículos eléctricos

La clasificación de la carga de la batería lipo 2s para vehículos eléctricos incluye AC y DC, siendo la carga DC más rápida. Tesla fue la primera empresa en usar carga rápida de 120kW; Bosch lanzó un plan de carga rápida de 350kW en 2017, que se implementó en el "Taycan" en 2019. Dado que el voltaje actual del paquete de batería lipo 2s para vehículos es alrededor de 400V, la carga de alta potencia de 350kW requiere un voltaje más alto del paquete de batería lipo 2s para evitar problemas de corriente excesiva y generación excesiva de calor. Tanto el "Taycan" de Bosch como el coche conceptual e-tron GT de Audi (carga hasta 350kW) están equipados con un paquete de batería lipo 2s de 800V. En diciembre de 2018, un grupo de investigación conjunto de BMW, Bosch y Siemens logró carga rápida en modo CCS de 450kW en dos coches de prueba en Alemania.

Factor limitante de la carga rápida de la batería lipo 2s

Aunque la investigación para mejorar la potencia de carga de la batería lipo 2s para vehículos eléctricos ha avanzado mucho, estas tecnologías de carga rápida no son adecuadas para todas las situaciones. Según las condiciones de trabajo específicas y el entorno de carga del vehículo eléctrico, la potencia de carga irá decayendo gradualmente durante el proceso continuo de carga de la batería lipo 2s. Además, en modo de carga rápida, debido a factores de seguridad y otros, la batería lipo 2s generalmente solo puede cargarse hasta el 80% de su capacidad; a potencias más altas, la tasa de carga disminuirá gradualmente para evitar la sobrecarga.

Además, la potencia de carga también está afectada por el sistema de gestión de batería (BMS) de la batería lipo 2s.(Sistema de gestión de batería lipo 3s y su necesidad). La industria muestra un interés creciente en el campo de la carga rápida de baterías, y es necesario comprender los pasos que determinan la velocidad de los diferentes métodos de carga y su impacto en la vida útil de la batería lipo 2s. Este artículo tiene como objetivo establecer el vínculo entre los procesos microscópicos, las propiedades del material, el diseño de la batería lipo 2s y del paquete, y la optimización de la estrategia de carga desde la naturaleza multiescala y multidisciplinaria de la carga rápida.

Principio de carga rápida de la batería 2s lipo

La batería 2s lipo ideal debería exhibir larga vida útil, alta densidad de energía y alta densidad de potencia, para que pueda cargarse y recargarse rápidamente en cualquier lugar y a cualquier temperatura para satisfacer los requisitos de conducción de larga distancia de los vehículos eléctricos. Sin embargo, existe una relación de compromiso entre estas propiedades físicas, y la influencia de la temperatura del material y del equipo determina el umbral de uso de la batería 2s lipo.

A medida que la temperatura baja, tanto la tasa de carga como el voltaje máximo deben reducirse por seguridad, haciendo que la temperatura sea un factor limitante clave para la carga rápida. Entre ellos, al disminuir la temperatura, el riesgo de precipitación de litio en la batería 2s lipo aumentará significativamente. Aunque muchos investigadores han señalado que la precipitación de litio en la batería 2s lipo suele ocurrir a una temperatura inferior a 25 ℃, a alta temperatura, especialmente con alta tasa de carga y densidad de energía (los socios que no entienden la densidad de energía de la batería 2s lipo pueden referirse a este artículo: 1200mah lipo battry energy density improvement - cell density improvement) también es propenso a ocurrir. Además, la relación entre la eficiencia de carga rápida y la temperatura también es muy estrecha. La eficiencia de carga de un cargador de 50kW a 25°C es del 93%, pero la eficiencia de carga a -25°C es tan baja como del 39%. Esto se debe principalmente a que el BMS de la batería 2s lipo limita la potencia nominal a baja temperatura.

Una batería común de iones de litio está compuesta principalmente por un electrodo negativo de grafito, un electrodo positivo de óxido metálico de litio, un electrolito, un colector de corriente y un separador poroso. Cuando la batería 2s lipo se carga, Li+ se transfiere del electrodo positivo al electrodo negativo a través del electrolito. Las principales vías de transmisión son:
1) Después de los electrodos en estado sólido;
2) a través de la interfaz electrodo/electrolito de los electrodos positivo y negativo;
3) Después del electrolito, incluyendo la solvatación y desolvatación de Li+.
Sin embargo, las condiciones de uso inadecuadas de la batería 2s lipo a menudo causan una serie de reacciones secundarias que afectan el rendimiento y la vida útil. Además, la tasa de carga-descarga, la resistencia interna de la batería 2s lipo y la polarización de la batería afectan las características térmicas de la batería, como el aumento de la generación de calor, la reducción de la eficiencia de carga y la seguridad, etc.

Factores clave para la carga rápida de la batería 2s lipo

1) Polo negativo de la batería 2s lipo

Numerosos estudios han demostrado que la degradación del electrodo positivo de la batería 2s lipo y el crecimiento de la película CEI del electrodo positivo no afectan la velocidad de carga rápida del sistema tradicional de iones de litio, por lo que el electrodo negativo se ha convertido en la principal preocupación durante el proceso de carga.
Bajo ciertas circunstancias, el metal de litio puede continuar precipitando en dendritas de litio, e incluso perforar el separador causando un cortocircuito en la batería 2s lipo. Los factores que afectan la deposición de Li y la estructura de la deposición incluyen la tasa de difusión de iones Li en el ánodo, el gradiente de concentración del electrolito en la interfaz del ánodo, el depósito de sales metálicas en el colector de corriente y las reacciones secundarias en la interfaz electrodo/electrolito.

La investigación muestra que el rendimiento del electrodo negativo durante la deposición de litio de la batería 2s lipo puede atribuirse a la influencia de la corriente al inicio de la deposición de litio sobre la densidad superficial y la resistencia interna del electrodo negativo. Reducir la resistencia interna negativa B mediante el diseño de la batería 2s lipo es muy importante para mejorar la capacidad de carga rápida de la batería 2s lipo.

2) Temperatura de carga rápida de la batería 2s lipo

Además, el efecto de la temperatura también es muy importante. Una temperatura demasiado baja o demasiado alta se considera desfavorable para la batería, pero una temperatura más alta de la batería 2s lipo durante la carga rápida ayudará a su propio equilibrio, especialmente para la batería 2s lipo de alta energía específica.

3) Grosor del electrodo de la batería 2s lipo

El efecto del grosor del electrodo en el rendimiento de la carga también requiere atención. Los electrodos delgados suelen considerarse ideales para el transporte de iones de litio, y a medida que el electrodo se engrosa, se vuelve importante asegurar una concentración suficiente de iones de litio en la interfaz electrodo/electrolito para mantener la estabilidad del sobrepotencial y reducir la posibilidad de precipitación de litio. Durante la carga rápida de baterías con electrodos gruesos, las sales de litio pueden depositarse en el colector de corriente, lo que resulta en un desequilibrio en la utilización del electrodo y un aumento en la densidad de corriente del ánodo del separador.

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Explicación detallada del material del cátodo de la batería lipo 6s