パワー2sリポバッテリーの超高速充電の主な問題は何ですか？

案内読み物

本稿では、2sリポバッテリーの急速充電に影響を与える要因を包括的にレビューし、材料レベルからシステムレベルまでの急速充電の主な問題と解決策を紹介します。

2sリポバッテリー急速充電の背景紹介

近年、気候変動や大気汚染の影響を抑制するために、純電気自動車における2sリポバッテリーの普及が加速しています。しかし、従来の燃料車と比較して、2sリポバッテリーの航続距離不安と長い充電時間が電気自動車の発展を妨げる主な問題となっています。したがって、急速充電能力の向上は2sリポバッテリーメーカーとOEMの共通の開発目標となっています。

2sリポバッテリー急速充電に関する以下の記事では、2sリポバッテリーの充放電原理を紹介しており、必要な方はクリックしてご覧いただけます：
リポバッテリー4sの充電と放電の原理、必ずしっかり保管してください！
しかし、研究によると低温かつ高率充電はバッテリー容量と出力の劣化を加速させることが示されています。本論文は既存文献のレビューと要約に焦点を当て、各レベルでの主要な技術的制約を分析します。

電気自動車の2sリポバッテリー充電の分類

電気自動車の2sリポバッテリー充電の分類にはACとDCがあり、その中でDC充電の方が速いです。テスラは120kWの急速充電を最初に採用した企業であり、ボッシュは2017年に350kWの急速充電計画を発表し、2019年に「タイカン」で実装されました。現在、車両用2sリポバッテリーパックの電圧は約400Vであり、350kWの高出力充電には、過大な電流や過熱の問題を避けるためにより高い電圧の2sリポバッテリーパックが必要です。ボッシュの「タイカン」とアウディのe-tron GTコンセプトカー（最大350kW充電対応）はどちらも800Vの2sリポバッテリーパックを搭載しています。2018年12月には、BMW、ボッシュ、シーメンスの共同研究グループがドイツの2台の試験車で450kW CCSモードの急速充電を実現しました。

2sリポバッテリー急速充電の制限要因

電気自動車用2sリポバッテリーの充電出力向上に関する研究は大きな進展を遂げていますが、これらの急速充電技術はすべての状況に適しているわけではありません。電気自動車の特定の作動条件と充電環境に応じて、2sリポバッテリーの連続充電過程で充電出力は徐々に低下します。さらに、急速充電モードでは、安全性などの要因により、2sリポバッテリーは通常、出力の80％までしか充電できません。より高い出力では、過充電を避けるために充電速度は徐々に低下します。

さらに、充電出力は2sリポバッテリーのバッテリーマネジメントシステム（BMS）にも影響されます。(Lipo battery 3s management system and its necessity)。業界は急速充電の分野にますます関心を寄せており、異なる充電方法の速度決定ステップとそれが2sリポバッテリーの寿命に与える影響を理解することが必要です。本論文は、微視的プロセス、材料特性、2sリポバッテリーおよびパック設計、充電戦略の最適化との関連を、多スケールかつ学際的な急速充電の性質から確立することを目的としています。

2sリポバッテリー急速充電の原理

理想的な2sリポバッテリーは、長寿命、高エネルギー密度、高出力密度を示し、どの場所でもどの温度でも迅速に充電および再充電でき、電気自動車の長距離走行要件を満たすことが求められます。しかし、これらの物理特性にはトレードオフの関係があり、材料および装置の温度の影響が2sリポバッテリーの使用閾値を決定します。

温度が下がると、安全のために充電速度と最大電圧の両方を下げる必要があり、温度は急速充電の重要な制限要因となります。その中で、温度が下がると2sリポバッテリーのリチウム析出のリスクが大幅に増加します。多くの研究者は2sリポバッテリーのリチウム析出は25℃以下でよく発生すると指摘していますが、高温、特に高充電速度およびエネルギー密度（2sリポバッテリーのエネルギー密度を理解していない方はこの記事を参照してください: 1200mahリポバッテリーエネルギー密度改善 - セル密度改善）でも発生しやすいです。さらに、急速充電効率と温度の関係も非常に密接です。25°Cでの50kW充電スタンドの充電効率は93%ですが、-25°Cでは39%まで低下します。これは主に2sリポバッテリーのBMSが低温時に定格出力を制限するためです。

一般的なリチウムイオン電池は主にグラファイト負極、リチウム金属酸化物正極、電解質、集電体、多孔質セパレーターで構成されています。2sリポバッテリーが充電されると、Li+は電解質を介して正極から負極へ移動します。主な伝達経路は次のとおりです:
1) 固体電極を経て;
2) 正極および負極の電極/電解質界面を通じて;
3) 電解質を介して、Li+の溶媒和および脱溶媒和を含む。
しかし、2sリポバッテリーの不適切な使用条件は、性能と寿命に影響を与える一連の副反応を引き起こすことがよくあります。さらに、充放電速度、2sリポバッテリーの内部抵抗、およびバッテリーの分極はすべて、発熱の増加、充電効率の低下、安全性の低下など、バッテリーの熱特性に影響を与えます。

2sリポバッテリーの高速充電の重要要因

1) 2sリポバッテリーの負極

多くの研究で、2sリポバッテリーの正極の劣化や正極CEI膜の成長は従来のリチウムイオンシステムの高速充電速度に影響しないことが示されており、充電過程では負極が主な関心事となっています。
特定の条件下では、リチウム金属がリチウム樹枝状結晶として析出し続け、セパレーターを突き破って2sリポバッテリーの短絡を引き起こすことがあります。Li析出と析出構造に影響する要因には、負極内のLiイオン拡散速度、負極界面の電解質濃度勾配、集電体の金属塩析出、電極/電解質界面での副反応が含まれます。

研究によると、2sリポバッテリーのリチウム析出時の負極性能は、リチウム析出開始時の電流が負極の表面密度と内部抵抗に与える影響に起因します。2sリポバッテリーの設計で負極内部抵抗Bを低減することは、高速充電能力向上に非常に重要です。

2) 2sリポバッテリーの高速充電温度

さらに、温度の影響も非常に重要です。あまりに低すぎるか高すぎる温度はバッテリーに不利とされますが、高温での2sリポバッテリーの高速充電は特に高比エネルギーの2sリポバッテリーのバランス維持に役立ちます。

3) 2sリポバッテリーの電極厚さ

電極の厚さが充電性能に与える影響にも注意が必要です。薄い電極はリチウムイオンの輸送に理想的とされ、電極が厚くなるにつれて、電極/電解質界面で十分なリチウムイオン濃度を確保し、過電圧の安定性を維持し、リチウム析出の可能性を減らすことが重要になります。厚い電極のバッテリーを高速充電する際には、リチウム塩が集電体に沈着し、電極の利用不均衡やセパレーター陽極の電流密度増加を引き起こすことがあります。

さて、上記は本日CNHLが提供する2sリポバッテリーの超高速充電の重要なポイントの全内容です。もっと2sリポバッテリーの情報を知りたい場合は、以下をご覧ください。
6s リポバッテリーのカソード材料の詳細な説明