Elektrikli Araçlarda Yeni Bir Çağ İçin Hızlı Şarjlı Li-Ion Bataryaları by Özkan Solmaz

Abstract (Özet)

ozkansolmaz — 2020-11-24 21:18:07 UTC

Aşırı hızlı şarj (10 dakika içerisinde %80 şarj durumuna ulaşmak), batarya bazlı elektrikli araçların ulaşım sektörü tarafından yaygın bir şekilde benimsenmesini engelleyen temel sınırlayıcı parametrelerden biridir.

Son zamanlarda bu alanda, aşırı hızlı şarjın neden zorlu olduğuna özellikle odaklanan birçok yeni simülasyon ve deneysel tabanlı çalışmalar yayınlandı. Bu çalışmalar, katot partikül çatlaması ve elektrolit taşınma sınırlamasının iyi bilindiği üzere güvenlik ve stabilite sorunlarına yol açan temel engeller olduğunu tanımladı.

İlginç bir şekilde, yüksek enerji yoğunluğu koşulları altında 10 dakikalık şarj üzerine kayda değer gelişmeler gösteren çok az sayıda çalışma yapılmıştır.

Uyarlanabilir hızlı şarj ile birlikte elektrolit modifikasyonları (konsantre elektrolit ve düşük viskoziteli katkı maddeleri) ile ilgili çeşitli stratejiler vurgulanmış ve önerilmiştir.

Graphical Abstract (Grafiksel Özet)

ozkansolmaz — 2020-11-24 21:19:05 UTC

Original Abstract (Özet)

ozkansolmaz — 2020-11-24 21:36:09 UTC

Extreme fast charge (10 min to reach 80% state of charge) is one of the key limiting parameters preventing the widespread adoption of battery-based electric vehicles into the transportation sector. Many recent simulations and experimental-based studies have been recently published in this area with a specific focus on why extreme fast charge is challenging. These studies identified that cathode particle cracking and electrolyte transport limitation are the key barriers that have caused the well-known safety and stability problems. Interestingly, there have been very few studies that have demonstrated significant improvements toward a 10-min charge under high energy density conditions. Several strategies pertaining to electrolyte modifications (concentrated electrolyte and low viscosity additives) along with adaptive fast charging are highlighted and suggested.

You can watch the following videos in order to understand how batteries are working in electrical vehicles (Elektrikli araçlarda kullanılan bataryaların nasıl çalıştığını anlayabilmek adına bu videoları izleyebilirsiniz)

ozkansolmaz — 2020-11-24 21:49:22 UTC

1) https://www.youtube.com/watch?v=P7GR5fERXNY
2) https://www.youtube.com/watch?v=bNd-yJtRPhk
3) https://www.youtube.com/watch?v=izUl28YtQbE

Fast Charging Li-Ion Batteries for a New Era of Electric Vehicles Elektrikli Araçlarda Yeni Bir Çağ İçin Hızlı Şarjlı Li-Ion Bataryaları

ozkansolmaz — 2020-11-24 21:52:35 UTC

MatthewLi¹, MingFeng², DanLuo¹, ZhongweiChen^{1, 3}

1) Department of Chemical Engineering, Universityof Waterloo, 200 University Ave West, Waterloo,ON N2L 3G1, Canada

2) Key Laboratory of Functional Materials Physicsand Chemistry of the Ministry of Education, JilinNormal University, Changchun 130103, PR China

3) Lead Contact, Corresponding author, zhwchen@uwaterloo.ca

Journal (Dergi): Cell Reports Physical Science

Article Type (Makale Türü): Review article (Perspective)
Published in (Yayınlanma Tarihi): September 30, 2020
Volume: 1
Issue: 10
100212

Page (Sayfa): 16

ISSN: 2666-3864

Article

ozkansolmaz — 2020-11-24 21:54:41 UTC

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100212.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420302277

Introduction (Giriş)

ozkansolmaz — 2020-12-01 21:17:49 UTC

Tamamen batarya destekli elektrikli araçlar en popüler ''çevreci'' araç sınıflarından biri haline geldi.^[1]Elektrikli araçların yaygın olarak benimsenmesine karşın tüm faktörler arasında diğerlerine nazaran uzun şarz süresi, tartışmaya açık bir şekilde tüketiciler ve araştırmacılar tarafından kabul görmesi en zor parametrelerden biridir. İçten yanmalı motorlu araçların kısa süren yakıt ikmaline kıyasla, güncel en hızlı şarj etme süresi %80 şarj durumu için 30 dakikaya kadar sürebilir. Hızlı şarj etmeyi başarmak, elektrikli araçların gelişmesi adına en önemli adımlardan biri olarak kabul görülmüştür. Bir bataryanın şarj oranı genellikle C-oranı olarak bilinen bir birim ile belirtilir. C-oranı aktif maddenin kapasitesi ile birlikte mutlak akımı normalleştirir ve bataryanın tam şarj ya da deşarj olması beklenen bir zaman aralığı verir. 1 C, 1 saatlik şarj süresi olarak tanımlanır. Önceden hızlı şarj, 4 C yani teorik olarak 15 dakikalık ve 6 C yani teorik olarak 10 dakikalık şarj oranları için icat edilmişti. Pratik olarak, elektrikli araçların tam şarj protokolü hiçbir zaman sabit bir akım değildir fakat yan reaksiyonları önlemek adına genellikle tam şarja yakın sabit bir volltaj protokolüne geçilir. Bu sebeple, hızlı şarj edilen bir ticari elektrikli araç %80 şarj durumuna 4 C sürede geçebilecek ve daha sonra tam şarj durumuna ulaşabilmek adına daha yavaş ve daha hafif sabit voltaj şarj protokolüne geçilecektir. Şu anda amiyane bir tabirle aşırı hızlı şarja (XFC) ulaşmaya yönelik yapılan son çalışmalar 6 C ya da daha yüksek bir şarj oranını zorunlu kılıyor.^[2] Pratiksel olarak bir başka önemli şey ise birim şarj süresi başına elde edilen sürüş menzilidir. Tesla süper şarj istasyonu 27 dakikalık bir hızlı şarj ile 320 km menzil seçeneği sunarken (∼135 kW'ta ∼11.85 km dakika-1), aşırı hızlı şarjın (XFC) hedefi 400 kW'ta 32 km dakika-1'dır.^[3]

Düşük enerji yoğunluklu ince elektrotlarla yüksek akımda (>5°C) şarj etme yeteneği elde edilebilir fakat yüksek enerji yoğlunluklu (daha kalın elektrotlar) bataryalar^[4] ve/veya düşük sıcaklık (<0°C)^[5] için yüksek akımlı şarj çok zordur. İnce film batarya şarjının dezavantajı önemli derecede azaltılmış enerji yoğunluğu (180 Wk kg-1'e karşın 220 Wh kg-1) ve bununla ilişkili olarak masraf (196$ kWh-1'e karşın 103$ kWh-1) karşılaştırıldığında kolayca fark edilir. Bu da batarya'nın artan net malzeme kütlesine (şarj depolamasına katkıda bulunmaz) karşın aktif malzeme oranından kaynaklanır.^[6] Şu anda enerji yoğunluğu, maliyet ve güç yoğunluğu arasında bir denge durumu söz konusudur. Temel olarak, elektrikli araçlar düzeyinde aşırı hızlı şarj (XFC) ile ilgili tüm zorluklar kısa ve öz olarak, birim alan başına kütle transfer problemine (daha spesifik olarak, kütle akışı) ya da reaksiyon kinetiğine indirgenebilir.

Son makalelerde, hızlı şarj ve aşırı hızlı şarj (XFC) üzerine ekonomiksel, altyapı gereksinimleri^[3,7] ve batarya dizaynı^[8,9] konularına odaklanılmıştır.Bu makale alanında önde gelen araştırma grupları tarafından sağlanan son analiz ve sonuçlara odaklanacaktır.Hızlı şarj ve aşırı hızlı şarj (XFC) sırasında Lityum (Li)-iyon bataryası (LIB) üzerine temel sınırlayıcı olgunun tartışıldığı çalışmalara vurgu yapılacaktır. Li-ion aktarım numarasıyla ilgili tartışma, uyarlanabilir hızlı şarj protokolleri ile birlikte sağlanacaktır.

Original Introduction (Giriş)

ozkansolmaz — 2020-12-01 21:19:10 UTC

Fully battery powered electric vehicles (EVs) have become one of the most popular class of “green” vehicle.¹ Among all the factors against the widespread adoption of EVs, the relatively long charging time is arguably one of the most difficult parameters for consumers to accept and for researchers to meet. Compared to the short refueling time of internal combustion engine vehicles, the current quickest recharging time can take up to 30 min for an 80% state of charge (SOC). Achieving fast charge has been deemed as one of the most important directions for the progression of EVs in the market and, subsequently, in the field of battery science. The rate of charge of a battery is usually indicated in a unit known as C-rate. C-rate normalizes the absolute current with the capacity of the active material, resulting in a set time interval, of which the cell is expected to be a full charge or discharge. 1 C is defined as a charging time of 1 h. Previously, fast charge has been coined for charging rates of about 4 C (i.e., a theoretical 15-min charge) but less than 6 C (i.e., a theoretical 10-min charge). In practice, the complete charging protocol of EVs are never a constant current but usually switches to a constant voltage protocol nearing full charge to prevent side reactions. Therefore, a commercial EV undergoing fast charge will undergo 4 C charging up to ∼80% SOC and then undergo a slower and milder constant voltage charge to reach full charge. Recent efforts to reach what is now colloquially known throughout the field as extreme fast charge (XFC) mandates a charging rate of about 6 C or greater.² More important and practically relevant is perhaps the obtained driving range per unit of charge time. Fast charge is up to ∼320 km in 27 min (∼11.85 km min−1 at ∼135 kW) for the Tesla Supercharger station, whereas the XFC goal is a charging rate of 32 km min−1 at 400 kW.³

The ability to charge at a high current (>5 C) with thin electrodes of low energy densities is achievable, but high current charging of high energy density (thicker electrodes) batteries⁴ and/or low temperature (<0°C)⁵ is very difficult. The disadvantage of thin film battery charging is quickly realized when comparing the significantly decreased energy density (180 Wh kg−1 versus 220 Wh kg−1) and associated cost penalty ($196 kWh−1 versus $103 kWh−1) due to the increased ratio of cell deadweight material (does not contribute to charge storage) versus active material.⁶ There is currently a trade-off between energy density and cost with power density. Fundamentally, all the challenges associated with XFC (at the EV level) can be succinctly reduced to a problem of mass transfer per unit area (more specifically, mass flux) or reaction kinetics.

Recent articles have focused on the status of fast charge and XFC in terms of their economics and infrastructure requirement^3,7 and battery design.^8,9 This perspective will focus on the recent analysis and the conclusion provided by leading research groups in the field. Emphasis will be placed on works that discuss key limiting phenomenon in a lithium (Li)-ion battery (LIB) during fast charge and XFC. Discussion on the Li-ion transference number will be provided along with adaptive fast charging protocols.

References used in this chapter (Kaynak)

ozkansolmaz — 2020-12-01 21:25:59 UTC

[1]
J. Duan, X. Tang, H. Dai, Y. Yang, W. Wu, X. Wei, Y. Huang
Building Safe Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles: A Review
Electrochemical Energy Reviews, 3 (2020), pp. 1-42
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[2]
T.R. Tanim, E.J. Dufek, M. Evans, C. Dickerson, A.N. Jansen, B.J. Polzin, A.R. Dunlop, S.E. Trask, R. Jackman, I. Bloom, et al.
Extreme Fast Charge Challenges for Lithium-Ion Battery: Variability and Positive Electrode Issues
J. Electrochem. Soc., 166 (2019), pp. A1926-A1938
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[3]
A. Burnham, E.J. Dufek, T. Stephens, J. Francfort, C. Michelbacher, R.B. Carlson, J. Zhang, R. Vijayagopal, F. Dias, M. Mohanpurkar, et al.
Enabling fast charging—Infrastructure and economic considerations
J. Power Sources, 367 (2017), pp. 237-249
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[4]
A.M. Colclasure, A.R. Dunlop, S.E. Trask, B.J. Polzin, A.N. Jansen, K. Smith
Requirements for Enabling Extreme Fast Charging of High Energy Density Li-Ion Cells while Avoiding Lithium Plating
J. Electrochem. Soc., 166 (2019), pp. A1412-A1424
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[5]
X.G. Yang, G. Zhang, S. Ge, C.Y. Wang
Fast charging of lithium-ion batteries at all temperatures
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115 (2018), pp. 7266-7271
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[6]
A.M. Colclasure, T.R. Tanim, A.N. Jansen, S.E. Trask, A.R. Dunlop, B.J. Polzin, I. Bloom, D. Robertson, L. Flores, M. Evans, et al.
Electrode scale and electrolyte transport effects on extreme fast charging of lithium-ion cells
Electrochim. Acta, 337 (2020), p. 135854
ArticleDownload PDFGoogle Scholar

[7]
S. Srdic, S. Lukic
Toward Extreme Fast Charging: Challenges and Opportunities in Directly Connecting to Medium-Voltage Line
IEEE Electrification Mag., 7 (2019), pp. 22-31
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[8]
Y. Liu, Y. Zhu, Y. Cui
Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials
Nat. Energy, 4 (2019), pp. 540-550
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[9]
G.-L. Zhu, C.-Z. Zhao, J.-Q. Huang, C. He, J. Zhang, S. Chen, L. Xu, H. Yuan, Q. Zhang
Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects
Small, 15 (2019), p. e1805389
Google Scholar