As razões pelas quais as baterias de íon de lítio não podem ser carregadas rapidamente

Para veículos elétricos puros com bateria de íon de lítio, a dificuldade de carregamento ainda é um grande problema, então o "carregamento rápido" se tornou um artifício para muitos fabricantes. Na minha opinião pessoal, o problema do carregamento rápido das baterias de lítio precisa ser analisado em dois níveis.

Do ponto de vista da célula da bateria, o desempenho da taxa das baterias de íons de lítio é limitado pelas características intrínsecas de transmissão do sistema de combinação de material eletrodo positivo/eletrólito/eletrodo negativo e, por outro lado, o processo do eletrodo e o design da estrutura celular também têm um impacto significativo no desempenho da taxa.
No entanto, em termos de condução e comportamento de transporte mais intrínsecos, as baterias de lítio não são adequadas para carregamento rápido. A condução intrínseca do portador e o comportamento de transporte de um sistema de bateria de lítio dependem de vários fatores principais, incluindo a condutividade dos materiais dos eletrodos positivos e negativos, o coeficiente de difusão dos íons de lítio e a condutividade do eletrólito orgânico. Com base no mecanismo de reação incorporado, o coeficiente de difusão de íons de lítio em materiais de eletrodo positivo (olivina em canais iônicos unidimensionais, materiais em camadas em canais bidimensionais e materiais de eletrodo positivo de espinélio em canais tridimensionais) e eletrodo negativo de grafite negativo materiais de eletrodo (estruturas em camadas) é geralmente várias ordens de grandeza inferior à constante de velocidade de reações redox heterogêneas em baterias secundárias aquosas.

 

 

Além disso, a condutividade iônica dos eletrólitos orgânicos é duas ordens de grandeza inferior à dos eletrólitos aquosos da bateria secundária (ácidos ou bases fortes). A superfície negativa do eletrodo das baterias de lítio possui uma camada de filme SEI e, de fato, o desempenho da taxa das baterias de lítio é amplamente controlado pela difusão de íons de lítio no filme SEI. Devido à polarização muito mais severa dos eletrodos em pó em eletrólitos orgânicos em comparação com sistemas aquosos, a superfície negativa do eletrodo é propensa à precipitação de lítio sob condições de alta ampliação ou baixa temperatura, representando sérios riscos à segurança.
Além disso, sob condições de carga de alta taxa, a estrutura do material do eletrodo positivo está sujeita a danos e a camada de grafite do eletrodo negativo também pode ser danificada. Estes factores acelerarão a diminuição da capacidade, afectando assim seriamente a vida útil das baterias eléctricas. Portanto, as características essenciais das reações incorporadas determinam que as baterias de íons de lítio não são adequadas para carregamento em altas taxas. Os resultados da pesquisa confirmaram que o ciclo de vida das baterias individuais no modo de carregamento rápido e descarregamento rápido diminuirá significativamente e o desempenho da bateria se deteriorará significativamente nas fases posteriores de uso.

É claro, alguns leitores podem perguntar: as baterias de titanato de lítio podem ser carregadas e descarregadas em altas taxas?
O desempenho da taxa do titanato de lítio pode ser explicado por sua estrutura cristalina e coeficiente de difusão de íons. No entanto, a densidade de energia das baterias de titanato de lítio é muito baixa e seu uso de energia é alcançado sacrificando a densidade de energia, o que leva a um alto custo unitário de energia das baterias de titanato de lítio. A baixa relação custo-benefício determina que as baterias de titanato de lítio não podem se tornar a corrente principal do desenvolvimento de baterias de lítio. Na verdade, a tendência lenta de vendas de baterias Toshiba SCiB no Japão nos últimos anos já mostrou o problema.
No nível da célula, o desempenho da taxa pode ser melhorado do ponto de vista do processo do eletrodo e do design da estrutura celular, como tornar os eletrodos mais finos ou aumentar a proporção de agentes condutores, que são meios técnicos comumente usados. Pior ainda, alguns fabricantes recorreram a métodos extremos, como remover termistores das células da bateria e engrossar o coletor de corrente. Na verdade, muitas empresas nacionais de baterias de energia consideram os dados de alta taxa de suas baterias de energia LFP de 30C ou mesmo 50C como um destaque tecnológico.
O que o autor quer ressaltar aqui é que, como método de teste, é compreensível, mas a chave é quais mudanças ocorreram dentro da célula da bateria. Carga e descarga de alta ampliação a longo prazo podem ter danificado a estrutura dos materiais do eletrodo positivo e negativo, e o lítio já precipitou do eletrodo negativo. Essas questões requerem o uso de alguns métodos de detecção in-situ (como SEM, XRD e difração de nêutrons) para serem esclarecidas. Infelizmente, quase não há relatos sobre a aplicação desses métodos de detecção in-situ em empresas nacionais de baterias.
O autor também lembra aos leitores que prestem atenção à diferença entre os processos de carga e descarga das baterias de íon-lítio. Ao contrário do processo de carregamento, as baterias de iões de lítio não causam danos tão graves à bateria quando descarregadas a uma taxa mais elevada (realizando trabalho externo) como o carregamento rápido, que é semelhante a outras baterias secundárias à base de água. No entanto, para a utilização prática de veículos eléctricos, a procura de carregamento de alta taxa (carregamento rápido) é sem dúvida mais urgente do que a descarga de alta corrente.

Ao nível da bateria, a situação tornar-se-á mais complexa. Durante o processo de carregamento, a tensão e a corrente de carregamento de diferentes baterias individuais não são consistentes, o que inevitavelmente fará com que o tempo de carregamento da bateria exceda o da bateria individual. Isto significa que, embora a tecnologia de carregamento convencional também possa carregar uma única bateria até metade da sua capacidade em 30 minutos, a bateria irá definitivamente exceder este tempo, o que, em certa medida, significa que as vantagens da tecnologia de carregamento rápido não são muito óbvias.
Além disso, durante a utilização (descarga) de baterias de iões de lítio, o consumo da sua capacidade não está linearmente relacionado com o tempo de descarga, mas diminui rapidamente ao longo do tempo. Por exemplo, se um determinado carro elétrico tem uma autonomia de 200 quilômetros com carga total, depois de percorrer 100 quilômetros normalmente, a bateria ainda pode ter 80% de sua capacidade. Quando a capacidade da bateria permanece em 50%, o carro elétrico poderá percorrer apenas 50 quilômetros.
A característica das baterias de íon-lítio nos diz que carregar apenas metade ou 80% da energia da bateria é completamente insuficiente para atender às reais necessidades de uso dos veículos elétricos. Por exemplo, a tecnologia de carregamento rápido amplamente promovida pela Tesla, na minha opinião, é na verdade um artifício e não prático. Além disso, o carregamento rápido deteriorará seriamente a vida útil e o desempenho da bateria e trará riscos à segurança.
Como as baterias de lítio não são inerentemente adequadas para carregamento rápido, teoricamente, o modo de troca de bateria pode compensar suas deficiências no carregamento rápido. Embora projetar a bateria como um tipo plug-in possa trazer problemas de resistência estrutural e problemas de isolamento elétrico para todo o veículo, bem como superdesafios de padrões e desculpas de bateria, eu pessoalmente acredito que este modo é uma solução tecnicamente viável (apenas a nível técnico) para resolver o problema do carregamento rápido de baterias de iões de lítio.
Na opinião do autor, a razão pela qual o “modelo de aluguer de baterias+troca de baterias” não tem precedentes de sucesso à escala global não se deve apenas aos hábitos de consumo (os proprietários de automóveis acreditam que as baterias, tal como os carros, são sua propriedade privada), mas também devido à enorme distribuição de benefícios escondidos atrás de padrões técnicos. Nos países ocidentais altamente orientados para o mercado, a dificuldade de resolver este problema é muito maior do que na China. Na minha opinião pessoal, o modo de troca de baterias pode ter um potencial de desenvolvimento significativo nas áreas onde os veículos eléctricos puros, como autocarros e táxis, serão utilizados principalmente na China no futuro.