Роль літій-іонних акумуляторів/акумуляторів у зростаючій тенденції виробництва електромобілів. Частина 2

4.2 Пакування акумуляторної батареї

Після виготовлення упаковка LIB є критично важливим кроком для забезпечення їх безпечної експлуатації та транспортування (на заводи зі збирання електромобілів). Через вкрай летючу природу Li були встановлені спеціальні вимоги до упаковки, щоб обмежити збитки, спричинені несправною батареєю. Електронний кодекс федеральних правил (e-CFR) перераховує федеральні вимоги до упаковки та транспортування всіх Li-елементів у Сполучених Штатах (США). Згідно з цими правилами, Li-елементи повинні бути повністю інкапсульовані у внутрішню упаковку перед поміщенням у міцну зовнішню зовнішню упаковку. Потім ці упаковки повинні витримувати випробування на падіння будь-якої орієнтації без пошкодження Li-елементів. Додаткові міркування також повинні бути прийняті під час транспортування батарей потягом або літаком [88].

Коли LIB розробляються для використання в електромобілях, необхідно виявляти особливу обережність для забезпечення безпеки та надійності. Електромобілі призначені для щоденного використання широкою публікою та будуть присутні у густонаселених районах. Вони також наражаються на більший ризик отримання пошкоджень через механічні вібрації, які зазнають автомобіля під час руху, і в разі аварії можуть розірватися, якщо не упаковані належним чином. Дослідження в області більш надійної системи упаковки продовжуються, і поточні успішні проекти часто фокусуються на цих факторах [89, 90]. Ще однією зростаючою проблемою є тепловий розгін, коли LIB можуть входити до неконтрольованого циклу нагріву, що викликається високою зовнішньою температурою. З цієї причини конструкції упаковки повинні включати тепловий бар'єр для регулювання температури акумуляторних батарей [ 108 ].

Існує три основні типи упаковки осередків для LIB в електромобілях. Ці типи упаковки складаються з циліндричних, призматичних і пакетних осередків, як показано на малюнку 6. У циліндричних осередках електрод спіралеподібний і поміщається в циліндричний корпус, зазвичай з алюмінію, і розміщується послідовно в модульній упаковці. Хоча циліндричний стиль комірки може витримувати деформацію від вібрацій та внутрішнього газоутворення, швидкість розсіювання тепла через площу поверхні є обмежуючим фактором [ 109 ]. Особливо з урахуванням того, що електромобілі призначені для щоденного використання, така проблема може бути згубною за тривалих періодів водіння. Однак сучасні методи, такі як встановлення систем проміжного рідинного охолодження, можуть розсіювати надмірну теплову енергію і підвищувати довговічність LIB. Наприклад, такі компанії, як Tesla, в основному використовують циліндричні осередки у своїй продукції [110].

Малюнок 6.

Зображення різниці в (a) циліндричних клітинах, (b) призматичних клітинах і (c) мішковидних клітинах LIB, надане Saw et al. [111]. Авторські права 2016 р. із дозволу Elsevier.

Осередки мішечка альтернативно формуються шляхом укладання електродів і поміщення їх у пакет, подібний до алюмінію. Завдяки геометрії комірки мішечка і простоті контролю товщини пакета, швидкість розсіювання тепла набагато вища, ніж у циліндричних комірках [111]. Однак в результаті трибологічних контактів через циклічні рухи, що труться під час транспортування/водіння може виникнути незворотна пластична деформація, яка може розірвати пакет.

Для призматичних осередків катод, анод та сепаратор існують у вигляді довгих смуг, які пресуються та встановлюються усередині жорсткого контейнера [91]. Щільність упаковки в цьому типі осередків висока, що робить їх відмінним вибором для електромобілів, які потребують значної кількості енергії батареї в обмеженому просторі. Ці комірки батареї використовують відключення, що активується тиском, і випускний клапан для запобігання перегріву або надмірного тиску комірки. Призматичні комірки можуть бути налаштовані по конструкції більшою мірою, ніж інші комірки батареї, що корисно при проектуванні батареї для конкретного транспортного засобу. Корпус для цих осередків вимагає металів з великою товщиною, щоб запобігти здуттю через внутрішні наростання тиску. У промислових умовах такі компанії, як Mitsubishi, використовують призматичні осередки [111].

Серед цих трьох методів кожен має ряд переваг та недоліків. З погляду експлуатації, використання циліндричних осередків має найбільший потенціал цих трьох методів. Частина цього потенціалу обумовлена їх здатністю витримувати деформацію, що є перевагою, якої немає в інших методів. Хоча розсіювання тепла може бути меншим, нові досягнення в управлінні батареями та проміжному рідинному охолодженні можуть легко пом'якшити ці проблеми. Однак їх може бути потенційно складно проектувати та впроваджувати у виробничому середовищі. Передбачається, що майбутні напрямки у цій галузі будуть спрямовані на використання таких методів, як імерсійне охолодження. При використанні рідини, яка має швидкості теплопередачі, прихована теплота випаровування може підвищити швидкість теплопередачі, тим самим знижуючи ймовірність перегріву [112].

4.3 Зберігання енергії

Після пакування разом LIB діють разом, проводячи та зберігаючи енергію для застосування в електромобілях. Вони роблять це, збираючись у модуль, який містить безліч різних осередків батареї, як показано на малюнку 7. У застосуванні, у міру того, як температура батареї підвищується, продуктивність та ємність батареї збільшуються; це викликано хімічними реакціями, що відбуваються усередині батареї. Реакції прискорюються завдяки швидкодіючим молекулам, викликаним теплом. Це збільшує продуктивність батареї, але це обернено пропорційно скорочує термін її служби [92]. Однак, коли ці акумуляторні блоки працюють при нижчих температурах, та ж хімічна реакція відбувається набагато повільніше, знижуючи швидкість заряджання і навіть знижуючи максимальний потенціал заряду. Можна вважати, що низькі температури обмежують повний потенціал LIB [93, 94]. У багатьох середовищах у світі, де купуються ці електромобілі, можуть бути нижчі температури, тому слід ретельно враховувати їхню ємність та втрату потужності протягом більш тривалих періодів часу.

Малюнок 7.

Асортимент (a) акумуляторних батарей та (b) акумуляторних осередків, зібраних в єдиний модульний блок, наданий Кусензою та ін [113]. Авторські права 2019 р. під ліцензією CC BY 4.0.

Середня ємність акумуляторних осередків усередині електромобіля сьогодні становить від 35 до 63 Ач [97, 114]. Тільки США сьогодні на дорогах перебувають мільйони електромобілів [ 46 ]. Це створює надзвичайне навантаження на електромережу та сховища енергії. Міністерство енергетики (DOE) також оцінює, що річні витрати на безперервну зарядку одного електромобіля можуть досягати 2000 доларів США з відповідною вартістю 0,17 долара США за 1 кВт-год енергії [115, 116]. Крім можливостей зберігання енергії LIB, рівень покупок електромобілів, що постійно зростає, також вимагатиме значної модернізації електромережі. Можна припустити, що більша частина грошей, витрачених на модернізацію, повинна піти на покращення ємності акумулятора для швидкого заряджання та розряджання конденсаторів.

4.4 Системи керування акумуляторними батареями

При використанні систем зберігання LIB в електромобілях є невід'ємні недоліки, які обмежують їхню повну придатність. Зокрема, було показано, що системи зберігання LIB мають проблеми з довговічністю, однорідністю, безпекою та надмірними витратами. Для забезпечення експлуатаційного успіху LIB повинні працювати у надійному та безпечному середовищі. Однак зовнішні фактори можуть змінити це, в основному включаючи небажані температурні та вольтові вікна. Ці проблеми можуть призвести до великих проблем безпеки та зниження продуктивності батареї [66]. Отже, потрібне правильне керування літієвими батареями.

Щоб зрозуміти, як можна керувати системами зберігання LIB, важливо розуміти конкретні умови та робочі температури, яких вони повинні дотримуватись. На думку багатьох, коли електроліт досягає температури більше 120-140 ° C, інтерфейс тверде тіло-електроліт (SEI) починає розкладатися, що може призвести до більш екзотермічних реакцій [117]. Зокрема, органічні матеріали всередині літій-іонної батареї розчинятимуться, що може призвести до утворення горючих газів. Як можна припустити, якщо температура ще більше збільшиться, може відбутися бурхлива реакція, коли горючий газ змішається з киснем, який виділяється при розкладанні позитивного електрода. Це може призвести до пожеж або вибухів [66].

Ці проблеми тепер можна вирішити за допомогою систем керування акумуляторами (BMS). BMS – це пристрій, який можна використовувати для керування робочими умовами акумулятора. Завдяки цьому термін служби батареї може бути продовжений з більшою безпекою та допомогою у наданні аналітичної інформації про стан батареї. За допомогою цієї інформації можна керувати споживанням енергії акумуляторною батареєю та зменшувати його [ 118 ]. Для довідки, візуалізація стандартної системи BMS на основі Li показана на малюнку 8 де виділені різні експлуатаційні характеристики.

Малюнок 8.

Візуалізація функціональної конструкції BMS, надана Траном та ін [95]. Авторські права 2022 р. відповідно до ліцензії CC BY 4.0.

Як вже обговорювалося раніше, з часом здатність батареї накопичувати енергію знижуватиметься. Індикатором цього зниження є стан працездатності, більш відомий як SoH. Кількість часу, що залишився батареї до закінчення терміну служби, називається залишковим терміном служби (RUL). Закінчення терміну служби батареї називається її EoL. BMS – це захисна схема, яка також може допомогти нам передбачити SoH, RUL, EoL батареї, доступну потужність та ємність батареї. Вся ця інформація допомагає підвищити безпеку та ефективність батареї. Для застосування в електромобілях BMS, заснована на моделях, важливіша, оскільки в електромобілях використовуються набагато більші акумуляторні блоки [4].

При ближчому розгляді BMS колективно керує всіма процесами зберігання та передачі енергії в системах електромобіля, такими як зарядка та розрядка, моніторинг та балансування напруги осередків акумулятора, контроль температури, захист акумулятора та оцінка несправностей. BMS використовує властивості акумулятора для керування тим, як акумулятор реагує на розрядку та різні зміни в навколишньому середовищі [96]. BMS також захищає акумулятор від перезаряджання, недозаряджання, а також контролює температуру, щоб акумулятор міг працювати безпечно. Наявність BMS особливо важлива для терміну служби акумулятора, оскільки він також може знаходити несправності та оцінювати несправності в акумуляторі, щоб запобігти будь-яким загрозам безпеці при використанні акумулятора. Крім того, BMS LIB призначені для збільшення терміну служби, безпеки та енергоспоживання LIB. Ця система дозволяє LIB оцінювати стан заряду (SOC) з низькою похибкою [119].

4.4.1.Інтелектуальні системи керування акумуляторними батареями

З новими розробками в системах BMS на базі електромобілів можна створити складнішу систему, яка збільшить точність результатів. Це також може призвести до більш високого навантаження, може перевищити обмеження BMS і може збільшити витрати [ 120 ]. Однак, в даний час проводяться інші дослідження інших конструкцій BMS, які можуть поліпшити системи. Однією із пропонованих систем є інтелектуальна BMS на базі хмари. Фундаментальна концепція BMS на базі хмари полягає у знятті обмежень зберігання даних, які є у стандартних BMS, та у забезпеченні інтеграції покращених алгоритмів акумуляторів [95].

Зовсім недавно Янг та ін [121] представили структуру Cyber Hierarchy Interactional Network (CHAIN). Ця структура накопичує дані BMS EV/LIB у хмарній інфраструктурі, які можна використовувати для визначення SOC та температурних умов LIB. Завдяки хмарній інфраструктурі можливість застосування штучного інтелекту (ІІ) та стратегій глибокого навчання може дати більш глибоке розуміння майбутніх прогнозів терміну служби LIB. Можливість використання методів глибокого навчання для видобутку даних також може покращити експлуатаційні аспекти, такі як діагностика несправностей, балансування осередків та стан оцінок для різних функцій LIB [121]. Звичайно, функції користувача, такі як API (інтерфейс прикладного програмування) і UI (інтерфейс користувача), можуть дозволити водієві взаємодіяти з потенційними попередженнями [ 95 ]. Виходячи з цих тенденцій, очікується, що стратегії глибокого навчання продовжуватимуть розвиватися і стануть гарячою темою в цій галузі.

5. Матеріали, що використовуються в літій-іонних акумуляторах для електромобілів

Маючи базове уявлення про роль LIB у електромобілях, також важливо розуміти вплив вибору матеріалу на ефективність LIB та електрохімічні характеристики. Ці матеріали в основному відносяться до анодних і катодних електродів, що використовуються в акумуляторному осередку. У застосуванні катодна частина LIB зазвичай складається з матеріалу, який може витягувати та повторно вставляти іони Li через електролітичний розчин в ефективних кількостях [122]. Це зазвичай відомо як інтеркаляція та деінтеркаляція.

Також важливо забезпечити, щоб потік, що вивільняється з катода, міг бути повністю прийнятий матеріалами анода. У випадках коли є різниця потоків, іони Li статично проникають, тим самим блокуючи зарядку і розрядку інших іонів Li. Це може збільшити внутрішній опір з часом [123]. У цьому розділі детально обговорюються основні матеріали, що використовуються для анодних та катодних компонентів LIB, а також їх сучасні досягнення. Як довідковий матеріал на малюнку 9 показано порівняльне подання кожного типу анодного і катодного матеріалу, а також їх вимоги, доступність, вартість та простота виготовлення . Для додаткової довідки у таблиці 3 показано узагальнення цих основних розділів.

Малюнок 9.

Різні типи анодних та катодних матеріалів, а також їх вимоги, доступність, вартість та простота виготовлення адаптовані зі Spitthoff et al. [124]. Вся додаткова інформація була отримана з джерел [124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 187].

Таблиця 3.

Узагальнення різних досягнень та проблем, пов'язаних із LIB в електромобілях.

Матеріали анодних електродів

Тип Матеріалу-Група	Основні висновки	Посилання
Матеріали на основі вуглецю	• Графітові, одностінні та багатостінні вуглецеві нанотрубки широко використовуються завдяки їх вражаючим можливостям інтеркаляції та деінтеркаляції. • Ці матеріали широко використовуються у двовимірних структурах, оскільки здатні зберігати велику кількість іонів літію. • На сьогоднішній день вивчаються графенові нанокомпозити та пористі матеріали на основі оксиду графену/відновленого оксиду графену.	[ 139 , 140 , 141 , 142 , 143 , 144 , 145 ]
Леговані вуглецеві матеріали	• Легіруючі елементи, такі як олово (Sn), срібло (Ag), магній (Mg), алюміній (Al) та сурма (Sb), використовуються для пом'якшення утворення SEI. • Додаючи ці елементи, можна покращити питомі ємності та початкові напруги вуглецевих анодів.	[ 6 , 146 , 147 ]
Матеріали на основі оксиду титану	• Додавання TiO 2 є одним із можливих варіантів покращення характеристик анодних електродів. • Багато в чому це обумовлено їх великою площею поверхні та вражаючою електрохімічною провідністю. • В даний час ведуться роботи з вивчення моноклинної бронзової фази TiO2.	[ 148 , 149 , 150 ]
Матеріали на основі з'єднань перехідних металів конверсійного типу	• Також використовуються сполуки перехідних металів конверсійного типу (CTAM), що складаються з сульфідів, фосфідів, фторидів, нітридів, оксидів та селенідів перехідних металів. • CTAM мають знижений інтеркаляційний потенціал і не страждають від дендритного зростання	[ 6 , 151 ]
Матеріали на основі кремнію	• Найновіший анодний матеріал, що вивчається • Дослідження щодо Si обумовлені його високою ємністю, яка у 10 разів більша, ніж у графіту. • Основна проблема виникає через об'ємне розширення при багаторазовому використанні. • Досягнення в галузі наноструктурування, структурування пір, сполучних речовин та композитних добавок були запропоновані як життєздатні стратегії для пом'якшення таких дефектів.	[ 152 , 153 , 154 , 155 ]

Матеріали катодних електродів

Тип Матеріалу-Група	Основні висновки	Посилання
Матеріали на основі оксидів перехідних металів	• Перехідні шаруваті оксидні матеріали все частіше вивчаються через їх інтеркаляційні можливості. • Типові структури зазвичай мають шарувату форму, що дозволяє ефективно зберігати великі обсяги літій-іонів до використання в електромобілі.	[ 156 , 157 , 158 , 159 ]
Матеріали на основі поліаніонів	• Привабливість матеріалів на основі поліаніонів обумовлена їх тетраедричними структурними одиницями ((XO 4 ) n− /(X m O 3m+1 ) n− , де X зазвичай є S, P, Mo, W або As), які ковалентно пов'язані з поліедричними одиницями MOx (де M являє собою перехідний метал). • Функція цих матеріалів полягає в покращенні катодного окислювально-відновного потенціалу за рахунок їхнього розташування всередині катодної решітки.	[ 137 , 160 , 161 , 162 ]
Матеріали на основі конверсії	• Конверсійні метали призведуть до того, що іони перехідних металів та іони халькогенідів або галогенів зазнають процесу, подібного до конверсії. • Процес, подібний до конверсії, полягає в розриві хімічних зв'язків і створенні нових, що забезпечує можливість тривалого використання.	[ 163 , 164 ]

5.1 Матеріали анодних електродів

Як згадувалося вище, функція анодних матеріалів у тому, щоб забезпечити розряд іонів літію на катоді, де вони ефективно поглинаються. Оскільки акумулятор піддається різним процесам заряджання та розрядки, матеріальні та структурні властивості анода стають все більш важливими для забезпечення довготривалої роботи [165]. Анодний матеріал повинен мати здатність зберігати форму іонів літію під час зарядки/розрядки, а також запобігати утворенню інтерфейсу твердого тіло-електроліту (SEI). Структурна морфологія також важлива, оскільки вона визначає ефективність інтеркаляції та деінтеркаляції іонів літію [166]. На практиці найбільш поширеними матеріалами, що використовуються для анодних електродів, є вуглецеві/леговані вуглецеві матеріали, оксиди на основі титану, матеріали на основі перехідних металів перехідного типу та матеріали на основі кремнію.

5.1.1 Матеріали на основі вуглецю

Серед списку анодних матеріалів матеріали на основі вуглецю (тобто на основі вуглецю) є найчастіше використовуваними в електромобільній промисловості [167]. Серед існуючого списку матеріалів на основі вуглецю (наприклад, одношарові та багатошарові вуглецеві нанотрубки [142, 143]) графіт знайшов найбільше застосування через його вражаючі можливості інтеркаляції та деінтеркаляції [144]. Ці можливості обумовлені двовимірною (2D) структурою графіту, оскільки іони Li можуть легко проникати та зберігатися між шарами [168]. Хоча графен широко використовується, він може страждати від низької питомої площі поверхні через взаємодію сил Ван-дер-Ваальса під час переукладання [165]. Щоб вирішити цю проблему, багато хто індукував дефекти і кисневмісні групи для утворення оксиду графену (GO) і відновленого оксиду графену (r-GO) [139, 140, 141]. Таким чином можна сформувати пористі мережі, які можуть ефективно сприяти більшому зберіганню Li-ion за рахунок більшої доступності. На сьогоднішній день вивчення графенових нанокомпозитів в основному проводиться для покращення провідності та загальної питомої площі [145].

5.1.2 Леговані вуглецеві матеріали

Хоча матеріали на основі вуглецю, такі як графіт, мають вражаючі анодні характеристики, вони, як правило, мають дещо слабку здатність до довгострокового збереження ємності і високу сприйнятливість до теплових збоїв [146]. Освіта SEI дозволяє утворювати ці небажані побічні продукти, оскільки невикористана електрохімічна енергія перетворюється на тепло, яке поступово накопичується до того часу, доки згоряється [ 147 ]. Щоб відстрочити ці неминучі явища, одним із запропонованих рішень було легування. Звичайні сплави, про які повідомлялося, включають олово (Sn), срібло (Ag), магній (Mg), алюміній (Al) та сурму (Sb). Перевага використання цих матеріалів обумовлена їх збільшенням питомої ємності та вищими напругами початку Li/Li + [6]. Серед існуючої літератури найбільш поширеним способом формування вуглецевих легованих матеріалів є кульовий млин [169, 170, 171].

5.1.3. Матеріали на основі оксиду титану

В останні роки застосування композитних наноструктурованих нанотрубок діоксиду титану (TiO 2 ) стало одним із життєздатних способів покращення електрохімічної ємності та швидкості розряду графітових анодів [148]. Привабливість TiO 2 полягає в його великій площі поверхні та вражаючій електрохімічній провідності. При додаванні як композит вставка та випадання іонів Li може бути описана наступним чином [ 149 ]:

Як наочний приклад на малюнку 10 показано схематичне зображення графіту, покритого TiO 2−x . Відомо, що під час циклічних іонообмінних процесів оборотність TiO 2 дуже вражає, оскільки відбувається низьке об'ємне розширення (у межах від 3% до 4%) [172]. При використанні TiO 2 поліморф, який він також диктував їх електрохімічні можливості в LIB. Дослідження трьох основних поліморфів, анатазу, рутила та брукіту, були вивчені як життєздатні варіанти для впровадження іонів Li [173, 174]. Серед цього списку фаза анатазу була одним із найбільш широко використовуваних електроактивних поліморфів. Однак її складна структура перешкоджає оптимальному впровадженню іонів Li [175]. Для поліморфу рутила небажана кубічна структура, схожа на кам'яну сіль, що утворюється під час циклічної роботи, може зменшити дифузію літію на 10-15 см2 з -1 [150]. У разі поліморфу брукіту аморфізація під час циклування може призвести до аналогічної незворотності [176]. Однак все більше уваги приділяється вивченню ефектів інших фаз TiO2, таких як моноклінна бронзова фаза (TiO2 (B)), оскільки вони мають відкриту структурну структуру, що забезпечує велику рухливість іонів Li під час інтеркаляції та деінтеркаляції [150].

Малюнок 10.

( a ) Візуалізація графіту, вкритого TiO 2-x; ( b ) макроскопічні зображення графітового порошку; ( c ) скануючий електронний мікроскоп (SEM), ( d ) просвічувальний електронний мікроскоп з високою роздільною здатністю (HR-TEM) та ( e ) TEM зображення вкритого графітового порошку; карти енергодисперсійної спектроскопії (EDS) вмісту ( f ) C та ( g ) Ti вздовж окремої частинки графіту. Надано Kim et al. [ 177 ], Copyright 2017, з дозволу Elsevier.

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

ДАЛІ БУДЕ...