Роль литий-ионных аккумуляторов/ батарей в растущей тенденции производства электромобилей. Часть 2

4.2 Упаковка аккумуляторной батареи

После изготовления упаковка LIB является критически важным шагом для обеспечения их безопасной эксплуатации и транспортировки (на заводы по сборке электромобилей). Из-за крайне летучей природы Li были установлены специальные требования к упаковке, чтобы ограничить ущерб, вызванный неисправной батареей. Электронный кодекс федеральных правил (e-CFR) перечисляет федеральные требования к упаковке и транспортировке всех Li-элементов в Соединенных Штатах (США). Согласно этим правилам, Li-элементы должны быть полностью инкапсулированы во внутреннюю упаковку перед помещением в прочную жесткую внешнюю упаковку. Затем эти упаковки должны выдерживать испытание на падение в любой ориентации без повреждения Li-элементов. Дополнительные соображения также должны быть приняты при транспортировке батарей поездом или самолетом [ 88 ].

Когда LIB разрабатываются для использования в электромобилях, необходимо проявлять особую осторожность для обеспечения безопасности и надежности. Электромобили предназначены для ежедневного использования широкой публикой и будут присутствовать в густонаселенных районах. Они также подвергаются большему риску получения повреждений из-за механических вибраций, испытываемых автомобилем во время движения, и в случае аварии могут разорваться, если не упакованы должным образом. Исследования в области более надежной системы упаковки продолжаются, и текущие успешные проекты часто фокусируются на этих факторах [ 89 , 90 ]. Еще одной растущей проблемой является тепловой разгон, когда LIB могут входить в неконтролируемый цикл нагрева, который вызывается высокой внешней температурой. По этой причине конструкции упаковки также должны включать тепловой барьер для регулирования температуры аккумуляторных батарей [ 108 ].

Существует три основных типа упаковки ячеек для LIB в электромобилях. Эти типы упаковки состоят из цилиндрических, призматических и пакетных ячеек, как показано на рисунке 6. В цилиндрических ячейках электрод спиралевидный и помещается в цилиндрический корпус, обычно из алюминия, и последовательно размещается в модульной упаковке. Хотя цилиндрический стиль ячейки может выдерживать деформацию от вибраций и внутреннего газообразования, скорость рассеивания тепла из-за площади поверхности является ограничивающим фактором [ 109 ]. Особенно с учетом того, что электромобили предназначены для ежедневного использования, такая проблема может быть пагубной при длительных периодах вождения. Однако современные методы, такие как установка систем жидкостного промежуточного охлаждения, могут рассеивать избыточную тепловую энергию и повышать долговечность LIB. Например, такие компании, как Tesla, в основном используют цилиндрические ячейки в своей продукции [ 110 ].

Рисунок 6.

Изображение разницы в ( a ) цилиндрических клетках, ( b ) призматических клетках и ( c ) мешковидных клетках LIB, предоставленное Saw et al. [ 111 ]. Авторские права 2016 г. с разрешения Elsevier.

Ячейки мешочка альтернативно формируются путем укладки электродов и помещения их в пакет, подобный алюминию. Благодаря геометрии ячейки мешочка и простоте контроля толщины пакета, скорость рассеивания тепла намного выше, чем в цилиндрических ячейках [ 111 ]. Однако в результате трибологических контактов из-за циклических трущихся движений во время транспортировки/вождения может возникнуть необратимая пластическая деформация, которая может разорвать пакет.

Для призматических ячеек катод, анод и сепаратор существуют в виде длинных полос, которые прессуются и устанавливаются внутри жесткого контейнера [ 91 ]. Плотность упаковки в этом типе ячеек высокая, что делает их отличным выбором для электромобилей, которым требуется значительное количество энергии батареи в ограниченном пространстве. Эти ячейки батареи используют активируемое давлением отключение и выпускной клапан для предотвращения перегрева или избыточного давления ячейки. Призматические ячейки также могут быть настроены по конструкции в большей степени, чем другие ячейки батареи, что полезно при проектировании батареи для конкретного транспортного средства. Корпус для этих ячеек требует металлов с большой толщиной, чтобы предотвратить вздутие из-за внутреннего нарастания давления. В промышленных условиях такие компании, как Mitsubishi, используют призматические ячейки [ 111 ].

Среди этих трех методов каждый имеет ряд преимуществ и недостатков. С точки зрения эксплуатации, использование цилиндрических ячеек имеет наибольший потенциал из этих трех методов. Часть этого потенциала обусловлена их способностью выдерживать деформацию, что является преимуществом, которого нет у других методов. Хотя рассеивание тепла может быть меньше, новые достижения в управлении батареями и жидкостном промежуточном охлаждении могут легко смягчить эти проблемы. Однако их может быть потенциально сложно проектировать и внедрять в производственной среде. Предполагается, что будущие направления в этой области будут направлены на использование таких методов, как иммерсионное охлаждение. При использовании жидкости, которая имеет скорости теплопередачи, скрытая теплота испарения может повысить скорости теплопередачи, тем самым снижая вероятность перегрева [ 112 ].

4.3 Хранение энергии

После упаковки вместе LIB действуют вместе, проводя и сохраняя энергию для применения в электромобилях. Они делают это, собираясь в модуль, который содержит множество различных ячеек батареи, как показано на рисунке 7. В применении, по мере того, как температура батареи повышается, производительность и емкость батареи увеличиваются; это вызвано химическими реакциями, которые происходят внутри батареи. Реакции ускоряются благодаря более быстродействующим молекулам, вызванным теплом. Это увеличивает производительность батареи, но это обратно пропорционально сокращает срок ее службы [ 92 ]. Однако, когда эти аккумуляторные блоки работают при более низких температурах, та же химическая реакция происходит намного медленнее, снижая скорость зарядки и даже снижая максимальный потенциал заряда. Можно считать, что низкие температуры ограничивают полный потенциал LIB [ 93 , 94 ]. Во многих средах в мире, где приобретаются эти электромобили, могут быть более низкие температуры, поэтому следует тщательно учитывать их емкость и потерю мощности в течение более длительных периодов времени.

Рисунок 7.

Ассортимент ( a ) аккумуляторных батарей и ( b ) аккумуляторных ячеек, собранных в единый модульный блок, предоставленный Кусензой и др. [ 113 ]. Авторские права 2019 г., под лицензией CC BY 4.0.

Средняя емкость аккумуляторных ячеек внутри электромобиля сегодня составляет от 35 до 63 Ач [ 97 , 114 ]. Только в США сегодня на дорогах находятся миллионы электромобилей [ 46 ]. Это создает чрезвычайную нагрузку на электросеть и хранилища энергии. Министерство энергетики (DOE) также оценивает, что годовые затраты на непрерывную зарядку одного электромобиля могут достигать 2000 долларов США с соответствующей стоимостью 0,17 доллара США за один кВт-ч энергии [ 115 , 116 ]. Помимо возможностей хранения энергии LIB, постоянно растущий уровень покупок электромобилей также потребует значительной модернизации электросети. Можно предположить, что большая часть денег, потраченных на модернизацию, должна будет пойти на улучшение емкости аккумулятора для быстрой зарядки и разрядки конденсаторов.

4.4 Системы управления аккумуляторными батареями

При использовании систем хранения LIB в электромобилях существуют неотъемлемые недостатки, которые ограничивают их полную пригодность. В частности, было показано, что системы хранения LIB имеют проблемы с долговечностью, однородностью, безопасностью и чрезмерными затратами. Для обеспечения эксплуатационного успеха LIB должны работать в надежной и безопасной среде. Однако внешние факторы могут изменить это, в основном включая нежелательные температурные и вольтовые окна. Эти проблемы могут привести к большим проблемам безопасности и снижению производительности батареи [ 66 ]. Следовательно, необходимо правильное управление литиевыми батареями.

Чтобы понять, как можно управлять системами хранения LIB, важно понимать конкретные условия и рабочие температуры, которых они должны придерживаться. По мнению многих, когда электролит достигает температуры более 120–140 °C, интерфейс твердое тело–электролит (SEI) начинает разлагаться, что может привести к более экзотермическим реакциям [ 117 ]. В частности, органические материалы внутри литий-ионной батареи будут растворяться, что может привести к образованию горючих газов. Как можно предположить, если температура увеличится еще больше, может произойти бурная реакция, когда горючий газ смешается с кислородом, который выделяется при разложении положительного электрода. Это может привести к пожарам или взрывам [ 66 ].

Эти проблемы теперь можно решить с помощью систем управления аккумуляторными батареями (BMS). BMS — это устройство, которое можно использовать для управления рабочими условиями аккумуляторной батареи. Благодаря этому срок службы батареи может быть продлен с большей безопасностью и помощью в предоставлении аналитической информации о состоянии батареи. С помощью этой информации можно управлять потреблением энергии аккумуляторной батареей и уменьшать его [ 118 ]. Для справки, визуализация стандартной системы BMS на основе Li показана на рисунке 8 , где выделены различные эксплуатационные характеристики.

Рисунок 8.

Визуализация функциональной конструкции BMS, предоставленная Траном и др. [ 95 ]. Авторские права 2022 г. в соответствии с лицензией CC BY 4.0.

Как уже обсуждалось ранее, с течением времени способность батареи накапливать энергию будет снижаться. Индикатором этого снижения является состояние работоспособности, более известное как SoH. Количество времени, оставшееся батарее до окончания срока службы, называется ее остаточным сроком службы (RUL). Окончание срока службы батареи называется ее EoL. BMS — это защитная схема, которая также может помочь нам предсказать SoH, RUL, EoL батареи, доступную мощность и емкость батареи. Вся эта информация помогает повысить безопасность и эффективность батареи. Для применения в электромобилях BMS, основанная на моделях, более важна, поскольку в электромобилях используются гораздо более крупные аккумуляторные блоки [ 4 ].

При более близком рассмотрении BMS коллективно управляет всеми процессами хранения и передачи энергии в системах электромобиля, такими как зарядка и разрядка, мониторинг и балансировка напряжения ячеек аккумулятора, контроль температуры, защита аккумулятора и оценка неисправностей. BMS использует свойства аккумулятора для управления тем, как аккумулятор реагирует на разрядку и различные изменения в окружающей среде [ 96 ]. BMS также защищает аккумулятор от перезарядки, недозарядки, а также контролирует температуру, чтобы аккумулятор мог работать безопасно. Наличие BMS особенно важно для срока службы аккумулятора, поскольку он также может находить неисправности и оценивать неисправности в аккумуляторе, чтобы предотвратить любые угрозы безопасности при использовании аккумулятора. Кроме того, BMS LIB предназначены для увеличения срока службы, безопасности и энергопотребления LIB. Эта система позволяет LIB оценивать состояние заряда (SOC) с низкой погрешностью [ 119 ].

4.4.1.Интеллектуальные системы управления аккумуляторными батареями

С новыми разработками в системах BMS на базе электромобилей можно создать более сложную систему, которая увеличит точность результатов. Это также может привести к более высокой нагрузке, может превысить ограничения BMS и также может увеличить затраты [ 120 ]. Однако в настоящее время проводятся другие исследования других конструкций BMS, которые могут улучшить системы. Одной из предлагаемых систем является интеллектуальная BMS на базе облака. Фундаментальная концепция BMS на базе облака заключается в снятии ограничений хранения данных, которые есть у стандартных BMS, и в обеспечении интеграции улучшенных алгоритмов аккумуляторов [ 95 ].

Совсем недавно Янг и др. [ 121 ] представили структуру Cyber Hierarchy Interactional Network (CHAIN). Эта структура накапливает данные BMS EV/LIB в облачной инфраструктуре, которые можно использовать для определения SOC и температурных условий LIB. Благодаря облачной инфраструктуре возможность применения искусственного интеллекта (ИИ) и стратегий глубокого обучения может дать более глубокое понимание будущих прогнозов срока службы LIB. Возможность использования методов глубокого обучения для добычи данных также может улучшить эксплуатационные аспекты, такие как диагностика неисправностей, балансировка ячеек и состояние оценок для различных функций LIB [ 121 ]. Конечно, пользовательские функции, такие как API (интерфейс прикладного программирования) и UI (пользовательский интерфейс), могут позволить водителю взаимодействовать с потенциальными предупреждениями [ 95 ]. Исходя из этих тенденций, можно ожидать, что стратегии глубокого обучения будут продолжать развиваться и станут горячей темой в этой области.

5. Материалы, используемые в литий-ионных аккумуляторах для электромобилей

Имея базовое представление о роли LIB в электромобилях, также важно понимать влияние выбора материала на эффективность LIB и электрохимические характеристики. Эти материалы в основном относятся к анодным и катодным электродам, используемым в аккумуляторной ячейке. В применении катодная часть LIB обычно состоит из материала, который может извлекать и повторно вставлять ионы Li через электролитический раствор в эффективных количествах [ 122 ]. Это обычно известно как интеркаляция и деинтеркаляция.

Также важно обеспечить, чтобы поток, который высвобождается из катода, мог быть полностью принят материалами анода. В случаях, когда есть разница потоков, ионы Li статически проникают, тем самым блокируя зарядку и разрядку других ионов Li. Это может увеличить внутреннее сопротивление с течением времени [ 123 ]. В этом разделе подробно обсуждаются основные материалы, используемые для анодных и катодных компонентов LIB, а также их современные достижения. В качестве справочного материала на рисунке 9 показано сравнительное представление каждого типа анодного и катодного материала, а также их требования, доступность, стоимость и простота изготовления . Для дополнительной справки в таблице 3 показано обобщение этих основных разделов .

Рисунок 9.

Различные типы анодных и катодных материалов, а также их требования, доступность, стоимость и простота изготовления, адаптированные из Spitthoff et al. [ 124 ]. Вся дополнительная информация была получена из источников [ 124 , 125 , 126 , 127 , 128 , 129 , 130 , 131 , 132 , 133 , 134 , 135 , 136 , 137 , 138 ].

Таблица 3.

Обобщение различных достижений и проблем, связанных с LIB в электромобилях.

Материалы анодных электродов

Материалы катодных электродов

5.1 Материалы анодных электродов

Как упоминалось выше, функция анодных материалов заключается в том, чтобы обеспечить разряд ионов лития на катоде, где они эффективно поглощаются. Поскольку аккумулятор подвергается различным процессам зарядки и разрядки, материальные и структурные свойства анода становятся все более важными для обеспечения долговременной работы [ 165 ]. Анодный материал должен обладать способностью сохранять форму ионов лития во время зарядки/разрядки, а также предотвращать образование интерфейса твердое тело-электролит (SEI). Структурная морфология также важна, поскольку она определяет эффективность интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития [ 166 ]. На практике наиболее распространенными материалами, используемыми для анодных электродов, являются углеродные/легированные углеродистые материалы, оксиды на основе титана, материалы на основе переходных металлов переходного типа и материалы на основе кремния.

5.1.1 Материалы на основе углерода

Среди списка анодных материалов материалы на основе углерода (т. е. на основе углерода) являются наиболее часто используемыми в электромобильной промышленности [ 167 ]. Среди существующего списка материалов на основе углерода (например, однослойные и многослойные углеродные нанотрубки [ 142 , 143 ]) графит нашел наибольшее применение из-за его впечатляющих возможностей интеркаляции и деинтеркаляции [ 144 ]. Эти возможности обусловлены двумерной (2D) структурой графита, поскольку ионы Li могут легко проникать и сохраняться между слоями [ 168 ]. Хотя графен широко используется, он может страдать от низкой удельной площади поверхности из-за взаимодействия сил Ван-дер-Ваальса во время переукладки [ 165 ]. Чтобы решить эту проблему, многие индуцировали дефекты и кислородсодержащие группы для образования оксида графена (GO) и восстановленного оксида графена (r-GO) [ 139 , 140 , 141 ]. Таким образом, можно сформировать пористые сети, которые могут эффективно способствовать большему хранению Li-ion за счет большей доступности. На сегодняшний день изучение графеновых нанокомпозитов в основном проводится для улучшения проводимости и общей удельной площади [ 145 ].

5.1.2 Легированные углеродистые материалы

Хотя материалы на основе углерода, такие как графит, обладают впечатляющими анодными характеристиками, они, как правило, имеют несколько слабую способность к долгосрочному сохранению емкости и высокую восприимчивость к тепловым сбоям [ 146 ]. Образование SEI позволяет образовывать эти нежелательные побочные продукты, поскольку неиспользованная электрохимическая энергия переходит в тепло, которое постепенно накапливается до тех пор, пока не произойдет сгорание [ 147 ]. Чтобы отсрочить эти неизбежные явления, одним из предложенных решений было легирование. Обычные сплавы, о которых сообщалось, включают олово (Sn), серебро (Ag), магний (Mg), алюминий (Al) и сурьму (Sb). Преимущество использования этих материалов обусловлено их увеличением удельной емкости и более высокими напряжениями начала Li/Li + [ 6 ]. Среди существующей литературы наиболее распространенным способом формирования углеродных легированных материалов является шаровая мельница [ 169 , 170 , 171 ].

5.1.3. Материалы на основе оксида титана

В последние годы применение композитных наноструктурированных нанотрубок диоксида титана (TiO 2 ) стало одним из жизнеспособных способов улучшения электрохимической емкости и скорости разряда графитовых анодов [ 148 ]. Привлекательность TiO 2 заключается в его большой площади поверхности и впечатляющей электрохимической проводимости. При добавлении в качестве композита вставка и выпадение ионов Li может быть описана следующим образом [ 149 ]:

В качестве наглядного примера на рисунке 10 показано схематическое изображение графита, покрытого TiO 2−x . Известно, что во время циклических ионообменных процессов обратимость TiO 2 весьма впечатляет, поскольку происходит низкое объемное расширение (в пределах от 3% до 4%) [ 172 ]. При использовании TiO 2 полиморф, который он также диктовал их электрохимические возможности в LIB. Исследования трех основных полиморфов, анатаза, рутила и брукита, были изучены как жизнеспособные варианты для внедрения ионов Li [ 173 , 174 ]. Среди этого списка фаза анатаза была одним из наиболее широко используемых электроактивных полиморфов. Однако ее сложная структура препятствует оптимальному внедрению ионов Li [ 175 ]. Для полиморфа рутила нежелательная кубическая структура, похожая на каменную соль, которая образуется во время циклической работы, может уменьшить диффузию лития на 10−15 см2 с − 1 [ 150 ] . В случае полиморфа брукита аморфизация во время циклирования может привести к аналогичной необратимости [ 176 ]. Однако все больше внимания уделяется изучению эффектов других фаз TiO2, таких как моноклинная бронзовая фаза (TiO2 ( B)), поскольку они имеют открытую структурную структуру, обеспечивающую большую подвижность ионов Li во время интеркаляции и деинтеркаляции [ 150 ].

Рисунок 10.

( a ) Визуализация графита, покрытого TiO 2−x ; ( b ) макроскопические изображения графитового порошка; ( c ) сканирующий электронный микроскоп (SEM), ( d ) просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (HR-TEM) и ( e ) TEM изображения покрытого графитового порошка; карты энергодисперсионной спектроскопии (EDS) содержания ( f ) C и ( g ) Ti вдоль отдельной частицы графита. Предоставлено Kim et al. [ 177 ], Copyright 2017, с разрешения Elsevier.

Магазин Gtest® - поставщик литиевых батарей: https://gtest.com.ua/elementy-pitaniya/litievye-batareyki

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...