Температура при разработке батареи | QuantumScape
27 августа 2021 г.
Температура при разработке батареи
27 августа 2021 г.
Почему электромобили нагревают аккумулятор перед сеансом быстрой зарядки, но включают системы охлаждения во время движения? Почему электромобили теряют запас хода в холодные зимние месяцы и как аккумуляторная технология QuantumScape может решить эти проблемы? В этом посте мы более подробно рассмотрим, как температура напрямую влияет на общую производительность трех ведущих типов батарей: устаревшей литий-ионной батареи, альтернативных твердотельных элементов и элемента QuantumScape.
👆 Основы работы с батареями
Для справки: элемент литий-ионной батареи накапливает энергию, перемещая атомы лития между двумя сторонами ( электродов ) — от катода[1] к аноду[2] во время зарядки батареи. Когда батарея разряжается, атомы лития движутся в противоположном направлении — от анода к катоду — высвобождая энергию по мере поступления.
Представьте, что скейтборд катится вверх и вниз по склону. Вы вкладываете энергию, чтобы подтолкнуть его вверх по одной стороне холма, и когда он скатывается с другой стороны вниз, он несет энергию, которую вы вложили в него. Однако этот процесс не совсем эффективен, так как другие силы, действующие на скейтборд, такие как трение и сопротивление ветра, забирают энергию и замедляют ее.
Как и в случае со скейтбордом, существуют факторы, влияющие на энергию, которую можно получить от литий-ионного аккумулятора. Ключевым из них является температура. И влияние температуры различается в разных типах клеток.
Устаревшая литий-ионная батарея
В унаследованной литий-ионной батарее атомы лития движутся через жидкий электролит, который касается обоих электродов. Этот жидкий электролит оптимизирован для перемещения ионов лития по аккумулятору, а также внутрь и наружу катода и анода. Ионы лития перемещаются легче, когда батарея более горячая; подумайте о ноже, разрезающем теплое масло, по сравнению с холодным маслом.
Другой способ описать это — рассказать о сопротивление [3] – чем ниже сопротивление, тем легче ионам лития перемещаться по аккумулятору.
Низкотемпературные воздействия
При низких температурах (обычно ниже 0 °C) сопротивление батареи увеличивается, что ограничивает мощность, которую может обеспечить батарея, и блокирует часть накопленной энергии. Холодный аккумулятор также не может заряжаться быстро. Холодный графит в аноде не поглощает литий достаточно быстро, поэтому литиевые пластины[4] на поверхности графита потенциально вызывают образование дендритов. А ниже определенного температурного порога жидкость замерзнет, остановив движение ионов лития и отключив аккумулятор.
Воздействие высоких температур
Если нагрев батареи снижает сопротивление, не должны ли более высокие температуры улучшать работу батареи? Не так быстро. Есть и отрицательные побочные эффекты высоких температур. Например, жидкий электролит обладает высокой реакционной способностью по отношению к материалам, из которых состоят катод и анод.
Эти реакции усиливаются при более высоких температурах и потребляют литий, уменьшая общую доступную энергию в батарее. Они также заполняют поверхности электродов мусором[5], что увеличивает сопротивление батареи — так что вместо катания на скейтборде по гладкой, свежевымощенной улице это больше похоже на движение по гравийной дороге. По мере повышения температуры количество этих реакций резко возрастает, производя еще больше мусора и сокращая срок службы батареи.
Это скопление мусора — не единственная проблема, возникающая при высоких температурах. И жидкий электролит, и полимерный сепаратор в старых литий-ионных батареях чрезвычайно огнеопасны. Если температура превысит определенный предел, аккумулятор перейдет в режим теплового разгона, что может привести к самовозгоранию и взрыву. Тепловой разгон — одна из основных угроз безопасности современных электромобилей и причина, по которой они должны иметь более сложные, громоздкие и дорогие системы управления температурным режимом.
Подведение баланса
Из-за этих проблем устаревшие литий-ионные батареи должны найти баланс. Если батарея слишком холодная, сопротивление высокое, а энергия низкая, электролит может даже замерзнуть и полностью остановить батарею. А при быстрой зарядке на морозе аккумулятор может выйти из строя из-за литиевых дендритов. И все же, если аккумулятор слишком сильно нагревается, электроды заполняются мусором, и аккумулятор безвозвратно теряет свою емкость[6]. Таким образом, на самом деле существует только узкое температурное окно, в котором традиционная литий-ионная батарея может эффективно работать. Это ограничивает их практическую полезность.
Однако многие из этих ограничений возникают из-за проблем, вызванных жидким электролитом и графитовым анодом. Если бы ученые-батареечники могли избавиться от жидкости и графита, проблемы химического мусора при высоких температурах и литиевого покрытия при низких температурах можно было бы свести к минимуму или даже полностью решить.
Идеальным был бы анод из чистого лития (то есть литий-металлический анод) в сочетании со стабильным твердым электролитом. Здесь на помощь приходят твердотельные батареи.
Альтернативные подходы к твердотельным батареям
Проблема сопротивления
Основная проблема с переходом на твердый электролит заключается в том, что твердые вещества обладают гораздо большим сопротивлением, чем жидкости, так же как легче плыть по воде, чем по льду. Распространенным решением этой проблемы является нагрев элемента батареи, поскольку многие твердые электролиты имеют относительно приемлемый уровень сопротивления при высоких температурах. Обычно альтернативные твердотельные технологии испытываются при температуре 60 °C (140 °F) или выше. При таких высоких температурах атомы лития очень легко скользят через твердый электролит даже при высоких мощностях, таких как 1C[7].
Однако при снижении температуры до более реалистичного уровня для автомобильных приложений (25–30 °C или 77–86 °F) сопротивление имеет тенденцию резко возрастать даже при очень низкой мощности (C/10[8 ]).
По мере увеличения потребности в энергии эти альтернативные твердые электролиты не позволяют ионам лития проходить беспрепятственно, и доступная энергия резко падает. При мощности 1C нередко можно увидеть менее 20% энергии, доступной при комнатной температуре, что делает аккумулятор практически бесполезным для электромобилей. Такая батарея похожа на скейтборд, застрявший на гравийной дороге, который не может обеспечить больше, чем крошечное количество энергии.
Ключевым моментом, который следует помнить, является то, что сопротивление в твердотельной батарее можно уменьшить и, следовательно, повысить производительность, если сильно нагреть батарею. Например, в некоторых электробусах используются твердотельные батареи, работающие при температуре 80 ° C (176 ° F). Но это не сработает для легковых автомобилей, потому что для этого требуются большие, тяжелые и дорогие системы управления температурным режимом, чтобы поддерживать аккумулятор при высокой температуре и снижать сопротивление до рабочего уровня.
[9]
И даже если сопротивление твердотельного сепаратора будет приемлемым, если он не сможет предотвратить образование дендритов, его все равно придется эксплуатировать при высоких температурах, при которых литий размягчается и становится менее вероятным рост дендритов. В случае нестабильных твердых электролитов, таких как сульфиды, это ускорит разложение электролита на границах раздела с электродами и сократит срок службы батареи, как и в обычной батарее с жидким электролитом.
Ячейка QuantumScape
Первое отличие других твердотельных батарей от ячейки QuantumScape — это наш керамический твердоэлектролитный сепаратор. Мы опубликовали данные, показывающие, что наш сепаратор может предотвращать образование дендритов при практических условиях эксплуатации и температурах. Сепаратор также можно сделать очень тонким, что означает очень низкое сопротивление не только при комнатной температуре, но и при гораздо более низких температурах. Кроме того, керамика не реагирует с литием так, как это делают жидкости или сульфиды.
Это означает, что анод не заполняется мусором, а эффективность остается очень высокой, в отличие от многих альтернативных технологий.
Вторым преимуществом нашей технологии является католит – комбинация органической жидкости и полимера, которая способствует плавному переходу ионов лития от катода в твердоэлектролитный сепаратор. Однако, поскольку наш керамический твердоэлектролитный сепаратор химически изолирует катод от анода, существует минимальный риск того, что католит будет реагировать с металлическим литием на аноде, в отличие от других литий-металлических подходов, в которых используется жидкий электролит вместо твердого.
Кроме того, в отличие от жидких электролитов в старых литий-ионных батареях, которые должны быть стабильными как в высоковольтном катоде, так и в низковольтном аноде, ячейка QuantumScape разработана таким образом, чтобы предотвратить полный контакт католита с анодом. Таким образом, вместо того, чтобы оптимизировать стабильность в диапазоне напряжений, католит можно оптимизировать для обеспечения проводимости при более низких температурах, помогая минимизировать сопротивление на холоде.
Вот почему ячейки QuantumScape хорошо показывают себя в низкотемпературных испытаниях.
Эта диаграмма, впервые опубликованная во время мероприятия Battery Showcase, демонстрирует, что наша фундаментальная химия элементов хорошо сохраняет емкость даже при разрядке при низких температурах в диапазоне от 0 °C до -30 °C. Напротив, литий-ионный аккумулятор с жидким электролитом и ультрасовременным углеродно-кремниевым анодом, аналогичный элементам современных электромобилей, вырабатывает меньше энергии на единицу массы при температуре -25 °C.
Outlook
Пока электромобили с литий-ионными батареями находятся в эксплуатации, управлять температурой батареи и оптимизировать ее, чтобы обеспечить хорошую производительность и приемлемый срок службы, было непросто. Эти проблемы связаны с фундаментальными ограничениями устаревших литий-ионных конструкций, и предыдущие попытки создания твердотельных батарей не смогли устранить эти ограничения. Технология QuantumScape представляет собой следующий шаг в области литиевых батарей, который, решая ключевые проблемы, обеспечивает повсеместное улучшение производительности и удобства использования.
[1] Положительная сторона.
[2] Отрицательная сторона.
[3] Сопротивление – это мера сопротивления материала протеканию тока. Внутреннее сопротивление батареи является результатом кумулятивного эффекта различных явлений, которые препятствуют электрохимическим реакциям и потоку зарядов (ионов лития и электронов) через различные компоненты батареи. Высокое внутреннее сопротивление снижает энергию, которую можно извлечь из батареи, поскольку часть энергии тратится впустую в этих процессах. Обратным сопротивлением является проводимость, мера того, насколько легко заряды могут перемещаться по материалу. Например, электролит с низкой ионной проводимостью повысит сопротивление батареи из-за более медленного движения через него ионов лития.
[4] Гальваническое покрытие — это процесс осаждения металлического лития на аноде во время зарядки. Ионы лития проходят через сепаратор, а затем оседают на поверхности анода в виде металлического покрытия. В аккумуляторе с графитовым анодом такое покрытие вредит здоровью элемента.
[5] Побочные продукты электрохимического разложения.
[6] Емкость — это количество электрического заряда, которое может храниться в аккумуляторе, и главный показатель работоспособности аккумулятора. Потеря емкости является результатом двух различных причин. Во-первых, реакции между электролитом и электродами потребляют литий из батареи, уменьшая количество лития, доступного для хранения энергии. Во-вторых, химический мусор увеличивает сопротивление батареи, уменьшая количество полезной энергии, которое может дать заданное количество накопленного заряда.
[7] 1C относится к часовой зарядке или разрядке.
[8] C/10 соответствует 10-часовой зарядке или разрядке.
[9] Дополнительными недостатками этого подхода является то, что он также использует много дополнительной энергии, которая в противном случае могла бы быть использована для движения транспортного средства, и обычно требует, чтобы батарея была подключена, когда она не используется, для поддержания рабочих температур.
Заявления прогнозного характера
В этой статье содержатся заявления прогнозного характера по смыслу федерального законодательства о ценных бумагах и информация, основанная на текущих ожиданиях руководства на дату настоящего отчета. Все заявления, кроме заявлений об исторических фактах, содержащиеся в этой статье, в том числе заявления о будущем развитии аккумуляторной технологии QuantumScape, ожидаемых преимуществах технологий QuantumScape и производительности ее аккумуляторов, а также о планах и целях будущих операций, являются заявлениями прогнозного характера. . При использовании в настоящем отчете слова «может», «будет», «оценивать», «проформа», «ожидать», «планировать», «полагать», «потенциальный», «предсказывать», «целевой», «должен», «был бы», «мог бы», «продолжать», «полагать», «предполагать», «намереваться», «предвидеть» отрицание таких терминов и другие подобные выражения предназначены для обозначения прогнозных заявлений, хотя не все прогнозные заявления содержат такие идентифицирующие слова.
Эти прогнозные заявления основаны на текущих ожиданиях, предположениях, надеждах, убеждениях, намерениях и стратегиях руководства в отношении будущих событий и основаны на имеющейся в настоящее время информации об исходе и сроках будущих событий. Эти прогнозные заявления сопряжены со значительными рисками и неопределенностями, которые могут привести к существенному отличию фактических результатов от ожидаемых. Многие из этих факторов находятся вне контроля QuantumScape, и их трудно предсказать. QuantumScape предупреждает читателей, чтобы они не слишком полагались на какие-либо прогнозные заявления, которые действительны только на дату их публикации. Если иное не требуется применимым законодательством, QuantumScape отказывается от каких-либо обязательств по обновлению любых прогнозных заявлений. Если лежащие в основе предположения окажутся неверными, фактические результаты и прогнозы могут существенно отличаться от выраженных в каких-либо прогнозных заявлениях. Дополнительную информацию об этих и других факторах, которые могут существенно повлиять на фактические результаты QuantumScape, можно найти в периодических заявках QuantumScape в SEC.
Доля на
Продолжить чтение
Ceramics 101: разделитель QuantumScape в контексте
14 сентября 2022 г.
Технология твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape обеспечивается запатентованным керамическим твердоэлектролитным сепаратором.
ПОДРОБНЕЕ
Преимущества литий-металлических анодов
19 мая 2022 г.
Перезаряжаемые литий-металлические батареи десятилетиями были предметом интенсивных исследований, и сегодня они как никогда близки к выходу на рынок.
ПОДРОБНЕЕ
Ceramics 101: разделитель QuantumScape в контексте
14 сентября 2022 г.
Технология твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape обеспечивается запатентованным керамическим твердоэлектролитным сепаратором.
ПОДРОБНЕЕ
Преимущества литий-металлических анодов
19 мая 2022 г.
Перезаряжаемые литий-металлические батареи десятилетиями были предметом интенсивных исследований, и сегодня они как никогда близки к выходу на рынок.
ПОДРОБНЕЕ
АККУМУЛЯТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
РЕСУРСЫ
НОВОСТНАЯ
БЛОГ QS
КАРЬЕРА
Политика конфиденциальности | Условия использования
© Корпорация QuantumScape, 2022 г.
1730 Technology Drive, San Jose, CA 95110
[email protected]
Твиттер Линкедин YouTube
Почему высокие температуры сокращают срок службы батареи
по dxiang | 7 июля 2020 г. | Советы по аккумулятору
Ни для кого не секрет, что на производительность и срок службы автомобильного аккумулятора сильно влияет температура.
Большинство людей считают, что аккумулятор убивает холодная погода, но жаркая погода сокращает срок службы аккумулятора. Когда аккумулятор охлаждается, химические реакции замедляются. Более медленные химические реакции могут продлить срок службы батареи за счет замедления износа при нормальном использовании с течением времени. Однако более медленные химические реакции также означают более низкую выходную мощность батареи. Поэтому, когда быстро становится холодно, кажется, что ваша батарея мгновенно перестает работать. Но на самом деле холодная погода просто обнажает основные проблемы деградации.
Что происходит с батареями при высоких температурах?
Короче говоря, высокие температуры сокращают срок службы батареи. Температурная зависимость химических реакций определяется уравнением Аррениуса. Но проще говоря, по мере повышения температуры увеличивается и скорость химических реакций внутри батареи. Увеличение скорости химической реакции может увеличить производительность батареи, но также увеличивает скорость деградации батареи.
Это приводит к региональным различиям в сроке службы батареи из-за различий в климате от региона к региону. При нормальном использовании региональное влияние ожидаемого срока службы батареи будет выглядеть так, как показано в примере ниже:
Estimated battery life based on temperature
| Regional climate | Battery life expectancy |
| Cold | 55 months |
| Mild | 45 months |
| Hot | 40 месяцев |
| Extreme Hot | 30 месяцев |
Представленная выше модель предполагает нормальное использование; однако использование транспортных средств резко сократилось из-за COVID-19.пандемия. Транспортные средства, которые обычно эксплуатируются ежедневно, проводят ненормальное количество времени в очень жарких гаражах. Постоянный саморазряд – это факт жизни для всех аккумуляторов.
При нормальной температуре обычная полностью заряженная батарея теряет около 1/100 вольта в день. Месяц хранится, и батарея потеряет около трети своего заряда.
Скорость саморазряда увеличивается с повышением температуры из-за увеличения скорости химических реакций внутри батареи. Необратимое повреждение (сульфатация) происходит внутри аккумулятора при хранении при низком уровне заряда (менее 80% заряда). Осыпание пасты, коробление и другие физические дефекты также более вероятны для аккумуляторов, хранящихся при высоких температурах. Таким образом, можно ожидать, что снижение использования в жаркое лето (как в случае с COVID-19пандемия) приведет к аномально большому количеству аккумуляторов, хранящихся в состоянии низкого заряда. Это, несомненно, сократит срок службы батарей.
Проводите регулярные профилактические проверки аккумулятора
Если вы заменяете масло в автомобиле, который простоял из-за COVID-19, попросите техника проверить аккумулятор. Если у вас есть автомобиль, который стоит в гараже и используется реже, чем обычно, вы можете подумать о том, чтобы инвестировать в устройство для обслуживания или зарядное устройство аккумулятора.