V súčasnej dobe energického rozvoja priemyslu nových energetických vozidiel čelia lítium-iónové batérie ako hlavný zdroj energie kritickej výzve, ktorou je vyváženie účinnosti nabíjania a životnosti. So zvyšujúcimi sa požiadavkami spotrebiteľov na dlhší dojazd a vyššiu rýchlosť nabíjania, ako aj so zameraním trhu na životnosť batérie a nákladovú-efektívnosť, prechádza technológia nabíjania lítium-iónových batérií hlbokou revolúciou. Ako zabezpečiť vysokú{5}}účinnosť nabíjania a zároveň predĺžiť životnosť batérie sa stalo naliehavým problémom, ktorý musí toto odvetvie riešiť.
I. Technológia rýchleho nabíjania: Hnacia sila na zlepšenie účinnosti
V posledných rokoch sa dosiahol významný pokrok v technológii rýchleho nabíjania lítium-iónových batérií. Vezmite si CATL ako príklad. Jeho ultra-rýchle nabíjanie batérie „Shenxing“ dosiahla ultra-rýchlosť nabíjania „10-minútové nabíjanie na 400-kilometrový dojazd“. Dokonca aj v chladnom prostredí pri -10 stupňoch sa dokáže nabiť na 80 % kapacity za 30 minút. V apríli 2024 spoločnosť CATL uviedla na trh batériu Shenxing PLUS, ktorá ďalej zvyšuje dojazd na 1 000 kilometrov a zároveň zachováva charakteristiku ultra{22}}rýchleho nabíjania – nabitie na 60 % kapacity za 10 minút. CATL a SAIC-GM navyše spolupracovali na predstavení 6C ultrarýchlo nabíjacej lítium-železofosfátovej batérie, ktorá sa plánuje použiť v modernizovanej architektúre vysokonapäťovej batérie Ultium kvázi-900V v roku 2025. Túto batériu je možné plne nabiť za 10 minút, čím sa do 5 minút zvýši dojazd na 200 kilometrov.
Pozoruhodné úspechy dosiahol aj výskumný tím pod vedením profesora Chao{0}}Yang Wanga z Pennsylvánskej štátnej univerzity. Zistili, že ak je možné batériu pred nabíjaním rýchlo zahriať na 60 stupňov, nabíjať rýchlou rýchlosťou 10 minút a potom rýchlo ochladiť na okolitú teplotu, dá sa predísť tepelnej degradácii batérie a dá sa predísť vážnemu rastu vrstvy medzifázy pevného elektrolytu (SEI). Po opakovaných testoch tím vykonal testy izotermického nabíjania na troch typoch napájacích batérií pri 40 stupňoch, 49 stupňoch a 60 stupňoch, pričom ako kontrolu použil nabíjanie pri 20 stupňoch. Následne boli batérie rozobraté, aby sa skontrolovalo pokovovanie lítiom. Výsledky ukázali, že po 2 500 cykloch extrémne rýchleho nabíjania (6C, 4,2 V) pri 60 stupňoch počas 10 minút si batéria s vysokou -energetickou-hustotou s kapacitou 209 Wh/kg stále zachovala 91,7 % svojej kapacity so stratou kapacity iba 8,3 %. To ďaleko prekročilo cieľ „500 cyklov, 20 % strata kapacity“ stanovený Ministerstvom energetiky USA (DOE) a počas procesu nabíjania nebolo pozorované žiadne pokovovanie lítiom.
Značky ako XPENG a NIO tiež dosiahli prelom v ultra{0}}rýchlom nabíjaní. Spoločnosť XPENG uviedla na trh ultrarýchle nabíjanie S4-s maximálnym výstupným výkonom 480 kW a maximálnym výstupným prúdom 670 A. Tento systém dokáže poskytnúť 200-kilometrový dojazd pre auto za 5 minút od nabíjania. Podľa oficiálneho vyhlásenia sa model 4C dokáže nabiť z 10 % na 80 % za menej ako 15 minút, čo je údajne najrýchlejšia rýchlosť nabíjania sériovo{18}}elektrického vozidla na svete. Model 3C je tiež vybavený vysokonapäťovou platformou 800 V so špičkovým nabíjacím výkonom okolo 300 kW. Dokáže pridať 130 kilometrov dojazdu za 5 minút od nabíjania a nabiť sa z 10 % na 80 % za 20 minút.
II. Vplyv rýchleho nabíjania na životnosť batérie
Hoci technológia rýchleho nabíjania výrazne zlepšuje efektivitu nabíjania, nemožno ignorovať jej vplyv na životnosť batérie. Počas rýchleho nabíjania veľký prúd vyzve lítiové ióny, aby sa rýchlo vložili do anódy. Ak je regulácia teploty nedostatočná, lítium sa môže usadzovať na povrchu anódy a vytvárať dendrity, ktoré by potenciálne mohli prepichnúť separátor, čo môže viesť k vnútorným skratom a urýchleniu degradácie výkonu batérie. Okrem toho teplo vznikajúce pri rýchlom nabíjaní, ak sa včas nerozptýli, môže urýchliť rozklad elektrolytu a starnutie materiálov elektród, čím sa skráti životnosť batérie.
Prieskum ukázal, že u vodičov-súkromných vodičov čisto elektrických vozidiel s priemerným denným nájazdom viac ako 100 kilometrov prekročil podiel ultrarýchleho nabíjania-70 %. Zdravotný stav ich palubných{5}}batérií klesol zo 100 % pre nové autá na 85 % v priebehu dvoch rokov, s priemerným ročným poklesom o 7,5 %. Najnovší výskum tímu profesora Ouyanga Minggaa z univerzity Tsinghua však odhalil, že časté používanie ultra{10}}rýchleho nabíjania nad 120 kW môže skrátiť životnosť batérie o 40 % v porovnaní s pomalým nabíjaním.
Niektoré štúdie však naznačujú, že vplyv rýchleho nabíjania na životnosť batérie nie je absolútny. Štúdia sledovania vykonaná spoločnosťou Recurring Automatic na desiatkach tisíc vozidiel Tesla zistila, že rozdiel v životnosti batérie medzi rýchlym a pomalým nabíjaním je v skutočnosti zanedbateľný. Dokonca aj v prípade komerčných-vozítok, ktoré sa rýchlo{3}}nabíjajú 1 až 2-krát denne, sú cykly výmeny batérie podobné ako v prípade súkromných automobilov. Pripisuje sa to najmä efektívnym systémom regulácie teploty, ktoré účinne zmierňujú negatívne dopady rýchleho nabíjania.
III. Technické stratégie na vyváženie účinnosti a životnosti
Aby sa našla rovnováha medzi efektívnosťou rýchleho nabíjania a životnosťou batérie, priemysel a podniky prijali rad technických stratégií.
Pokiaľ ide o materiálové inovácie, ultra{0}}technológia rýchleho nabíjania spoločnosti CATL využíva technológiu ultra{1}}elektrónovej sieťovej katódy a technológiu grafitovej rýchlej iónovej kruhovej anódy druhej -generácie, čím sa ďalej zvyšuje účinnosť elektrochemickej reakcie a účinnosť nabíjania. Ultra-elektrónová sieť s plne nanometrizovaným povrchom materiálu vytvára dobre{5}}prepojenú elektrónovú sieť, čím sa výrazne zlepšuje rýchlosť odozvy katódového materiálu na nabíjacie signály a rýchlosť desorpcie lítium-iónových iónov. Vrstva pórovitého povlaku s modifikovaným rýchlym iónovým krúžkom- na povrchu materiálu anódy poskytuje množstvo aktívnych miest na výmenu lítiových iónov, čím sa výrazne zvyšuje rýchlosť výmeny náboja lítium ión a rýchlosť vkladania.
Pri navrhovaní štruktúry batérie tím profesora Chao-Yang Wanga vyvinul batériu pre všetky-klímy. Do batérie vložili 50 -mikrometrovú- hrubú niklovú fóliu, ktorá sa dokáže efektívne zohrievať-. Keď je prúd zapnutý pri nízkych teplotách, preteká cez niklovú fóliu a vytvára teplo. Akonáhle vnútorná teplota batérie presiahne 60 stupňov, spustí sa teplotný senzor, ktorý vypne prúd pretekajúci cez niklovú fóliu. Táto batéria sa dokáže zahriať na 60 stupňov v priebehu 30 sekúnd bez toho, aby to ohrozilo jej výkon a životnosť pri normálnych teplotách. Tento proces nevyžaduje pomoc externého vykurovacieho zariadenia ani pridávanie špeciálnych prísad do elektrolytu.
Pokiaľ ide o systémy riadenia teploty batérie (BMS), niektorí výrobcovia automobilov zaviedli „režim ochrany ultra{0}}rýchleho nabíjania“. Keď je úroveň nabitia batérie nižšia ako 20 %, nabíjací výkon je obmedzený na 60 kW, aby sa predišlo problémom s-poškodením batérie. Iné využívajú technológiu predhrievania batérie-, ktorá zlepšuje účinnosť rýchleho nabíjania o 35 % v prostrediach pri teplote -10 stupňov a zároveň znižuje mieru vybíjania batérie o 30 %.
IV. Užívateľské stratégie používania a výhľad odvetvia
Pre používateľov je rozumné používanie rýchleho nabíjania kľúčové pre predĺženie životnosti batérie. Profesor Qilu, riaditeľ laboratória New Energy Materials and Technology Laboratory na Pekingskej univerzite, uviedol, že majitelia áut by mali obmedziť podiel používania ultra{1}}rýchleho nabíjania na 40 %. Keď to čas dovolí, malo by sa čo najviac používať pomalé nabíjanie. Ultra{5}}rýchlemu nabíjaniu by ste sa mali vyhnúť najmä vtedy, keď je úroveň nabitia batérie nižšia ako 10 % alebo vyššia ako 90 %, pretože používanie ultra{8}}rýchleho nabíjania v tomto rozsahu môže spôsobiť väčšie poškodenie batérie.
Z pohľadu odvetvia môžu automobilky prostredníctvom inovácie komerčných modelov, ako je napríklad prijatie modelu lízingu batérií, prejsť od „predaja produktov“ k „predaju služieb“. Model{1}}oddelenia batérie vozidla môže znížiť citlivosť používateľov na záruky na batérie a zároveň prinútiť podniky, aby zlepšili vyspelosť technológií rýchleho nabíjania.
V budúcnosti s neustálym technologickým pokrokom bude rovnováha medzi účinnosťou rýchleho nabíjania a životnosťou lítium{0}}iónových batérií ďalej optimalizovaná. Očakáva sa, že objavenie sa nových materiálov a technológií, ako sú kremíkové -anódy a polovodičové batérie{3}}, zásadne vyriešia problémy so životnosťou spôsobené rýchlym nabíjaním. Neustále zdokonaľovanie inteligentných systémov regulácie teploty, dynamického nastavenia výkonu a ďalších technológií zároveň poskytne silnejšiu podporu revolúcii technológie nabíjania lítium-iónových batérií.
V rámci tejto revolúcie technológie nabíjania lítium{0}}iónové batérie postupne smerujú k dokonalej rovnováhe medzi účinnosťou a životnosťou. Priemysel a podniky musia neustále inovovať a používatelia ich tiež musia rozumne využívať na spoločnú podporu trvalo udržateľného rozvoja priemyslu nových energetických vozidiel.
