Sensorteknologi til kommercielle lithium-ion-batterier konstaterer, at de kan oplades fem gange hurtigere

Forskere ved WMG ved University of Warwick har udviklet en ny direkte, præcis test af lithium-ion-batteriers interne temperaturer og deres elektrodepotentialer og fandt ud af, at batterierne sikkert kan oplades op til fem gange hurtigere end de nuværende anbefalede opladningsgrænser. Den nye teknologi fungerer in-situ under et batteris normale drift uden at hæmme dets ydeevne, og den er blevet testet på almindelige kommercielt tilgængelige batterier. En sådan ny teknologi vil muliggøre fremskridt inden for batterimaterialevidenskab, fleksible batteriopladningshastigheder, termisk og elektrisk konstruktion af nye batterimaterialer/teknologi, og det har potentialet til at hjælpe med design af energilagringssystemer til højtydende applikationer såsom motorløb og netbalancering.

Hvis et batteri bliver overophedet, risikerer det alvorlige skader, især på dets elektrolyt, og kan endda føre til farlige situationer, hvor elektrolytten nedbrydes og danner gasser, der både er brandfarlige og forårsager betydelig trykopbygning. Overopladning af anoden kan føre til så meget Lithium galvanisering, at den danner metalliske dendritter og til sidst gennembore separatoren, hvilket forårsager en intern kortslutning med katoden og efterfølgende katastrofal fejl.

For at undgå dette, fabrikanter fastsætter en maksimal opladningshastighed eller -intensitet for batterier baseret på, hvad de mener er de afgørende temperatur- og potentialeniveauer, der skal undgås. Men indtil nu har intern temperaturtest (og indhentning af data om hver elektrodes potentiale) i et batteri vist sig enten umuligt eller upraktisk uden at påvirke batteriernes ydeevne væsentligt.

Producenter har måttet stole på en begrænset, ekstern instrumentering. Denne metode er åbenbart ikke i stand til at give præcise aflæsninger, hvilket har fået producenterne til at tildele meget konservative grænser for maksimal opladningshastighed eller -intensitet for at sikre, at batteriet ikke er beskadiget eller i værste fald lider af katastrofale fejl.

Men forskere i WMG ved University of Warwick har udviklet en ny række metoder, der tillader direkte, meget præcis intern temperatur og "per-elektrode" statusovervågning af lithium-ion batterier af forskellige formater og destinationer. Disse metoder kan bruges under et batteris normale drift uden at hæmme dets ydeevne, og det er blevet testet på kommercielt tilgængelige batterier i bilklassen. Dataene indsamlet ved sådanne metoder er meget mere præcise end ekstern sensing, og WMG har været i stand til at konstatere, at kommercielt tilgængelige lithiumbatterier, der er tilgængelige i dag, kunne oplades mindst fem gange hurtigere end de nuværende anbefalede maksimale opladningshastigheder.

WMG-forskerne har offentliggjort deres forskning i denne måned (februar 2018) i Electrochemica Acta i et papir med titlen "Forstå grænserne for hurtig opladning ved hjælp af instrumenterede kommercielle 18650 højenergi Li-ion celler."

Dr. Tazdin Amietszajew, WMG-forskeren, der ledede denne forskning, sagde, "Dette kan bringe enorme fordele til områder som motorvæddeløb, som ville få åbenlyse fordele ved at kunne skubbe præstationsgrænserne, men det skaber også enorme muligheder for forbrugere og leverandører af energilagring. Hurtigere opladning sker som altid på bekostning af den samlede batterilevetid, men mange forbrugere ville glæde sig over muligheden for at oplade et køretøjsbatteri hurtigt, når der kræves korte rejsetider, og derefter skifte til standardopladningsperioder på andre tidspunkter. At have den fleksibilitet i opladningsstrategier kan endda/længere nede i linjen hjælpe forbrugerne med at drage fordel af økonomiske incitamenter fra elselskaber, der søger at balancere netforsyningerne ved hjælp af køretøjer, der er tilsluttet nettet.

"Denne teknologi er klar til at blive anvendt nu på kommercielle batterier, men vi bliver nødt til at sikre, at batteristyringssystemer på køretøjer, og at den infrastruktur, der sættes ind til elbiler, er i stand til at rumme variable opladningshastigheder, der ville omfatte disse nye mere præcist indstillede profiler/grænser."

Teknologien, som WMG-forskerne har udviklet til denne nye direkte in-situ batteriføling, anvender miniature-referenceelektroder og Fibre Bragg-gitter (FBG), der er skruet gennem skræddersyet belastningsbeskyttelseslag. An outer skin of fluorinated ethylene propylene (FEP) was applied over the fibre, adding chemical protection from the corrosive electrolyte. The result is a device that can have direct contact with all the key parts of the battery and withstand electrical, chemical and mechanical stress inflicted during the batteries operation while still enabling precise temperature and potential readings.

WMG Associate Professor Dr. Rohit Bhagat who was also one researchers on the paper said, "This method gave us a novel instrumentation design for use on commercial 18650 cells that minimises the adverse and previously unavoidable alterations to the cell geometry. The device included an in-situ reference electrode coupled with an optical fibre temperature sensor. We are confident that similar techniques can also be developed for use in pouch cells."

"Our research group in WMG has been working on a number of technological solutions to this problem and this is just the first that we have brought to publication. We hope to publish our work on other innovative approaches to this challenge within the next year."