電池レートパフォーマンス分析とBTS作業ステップ設定の導入

1. C レートとは何ですか?

「C レート」は、電池の充電および放電の速度を表すために使用される用語です。これは、電池が完全に充電または放電できる時間を測定するために使用される相対的な量です。乗数の定義は、電池の定格容量に基づいています。

充電および放電乗数 C = 充電および放電電流 (A) / 定格電池容量 (Ah)。

電池乗数パフォーマンスは、さまざまな充電および放電レートで動作する電池の能力です。これは、電池が耐えることができる最大電流密度に直接関連しており、電池の急速充電および放電能力の重要な指標です。

乗数と時間の関係:

● 1C 放電は、電池が 1 時間以内に放電できることを意味します。

● 2C 放電は、電池が 30 分で放電できることを意味します。

などです。

2. 電池材料/電池性能の評価におけるレート性能の役割

レート性能は、特に高い充放電レートや高出力を必要とする用途において、電池材料またはセルの性能を評価する上で重要な役割を果たします。

2.1 電池の増倍性能に影響を与える最も重要な要因

1. 電極材料の特性: 導電性やイオン拡散速度など、電池の充放電速度を決定します。

2. 電池構造設計: 電極の厚さや多孔度など、リチウムイオンの流れと熱分布に影響します。

3. 電解質性能: イオン伝導性と化学的安定性は、充放電レートに直接影響します。

4. 電池温度: 適切な温度範囲は、電池の充放電レートとサイクル安定性を最適化するのに役立ちます。

5. 電池の内部抵抗: 内部抵抗が低いと、高レート条件下での電池の性能が向上します。

6. 電池の経年劣化: 使用時間が長くなると、経年劣化により電池性能が低下し、増倍性能に影響します。

7. 充電戦略と BMS: 電池の性能を維持するには、適切な充電戦略と効果的な電池管理システムが不可欠です。

これらの要素を組み合わせることで、高倍数充放電条件下での電池の性能が決まります。

2.2 実際の電池アプリケーションにおけるレート性能の重要性

1. 電力密度: 高い倍数性能は、電池が短時間で大量の電力を放出できることを示します。これは、急速充電と放電を必要とするアプリケーション (電気自動車、スターター電池、ポータブル電子機器など) にとって特に重要です。電力密度が高いと、デバイスの応答性と性能が向上します。

2. 充電速度: 高いレート性能は、電池をより短時間ですばやく充電できることも意味します。電気自動車など、頻繁に充電する必要があるアプリケーションでは、この特性によって使いやすさと効率が大幅に向上します。

3. サイクル寿命: 高率放電条件下では、電池材料に大きなストレスがかかる可能性があり、電池のサイクル寿命と安定性に影響を与える可能性があります。優れたマルチプライヤー性能とは、短時間の高放電容量だけでなく、多くの充電/放電サイクルにわたって電池が優れた性能を維持できることも意味します。

4. 安全性: 電池の安全性も、急速充電/放電時の重要な問題です。高レート性能の電池は、過熱、膨張、その他の潜在的な危険を防ぐために安全性を考慮して設計する必要があります。

5. エネルギー密度と電力密度のバランス: 電池はより高い放電レートに耐えられるように設計する必要があるため、通常、高レート性能はエネルギー密度を犠牲にして得られます。実際には、特定のニーズを満たすには、エネルギー密度 (長時間のエネルギー貯蔵) と電力密度 (短時間のエネルギー放出) の適切なバランスを見つける必要があります。

2.3 電池材料のレート性能評価と電池性能分析の重要性

1. 材料性能検証: 電池材料の実際の性能は、実験室でのテストでさまざまな乗算 (C レート) での電池の性能を決定することによって評価できます。これにより、材料が予想される電力密度要件を満たしていること、および高放電レートでの安定性を検証できます。

2. 材料配合の最適化: 実験室でのテストにより、科学者は高レート放電条件下でのさまざまな材料配合の性能を理解し、材料の最適化と改善を導くことができます。たとえば、さまざまな電極材料または添加剤をテストすることで、乗算器の性能を向上させるための最適な組み合わせを見つけることができます。

3. 電池設計のテスト: 乗算器の性能テストにより、電極構造、電気伝導性、イオン伝導性など、電池設計の潜在的な問題が明らかになることがあります。これらのテスト結果は、実際のアプリケーションでのパフォーマンスを向上させるために電池設計を改善するのに役立ちます。

4. 適用範囲の決定: 実験室でのテストを通じて、さまざまなアプリケーションシナリオでの電池材料または電池の適用範囲を決定することができます。たとえば、特定の電池は高レートでは良好に機能するが、通常の使用条件では効率が十分でない場合があります。ラボテストは、これらの適合性の違いを特定するのに役立ちます。

5. 長期パフォーマンスの予測: ラボでの高レートテストは、実際の使用における電池の長期パフォーマンスを予測するのに役立ちます。これには、高レート放電が電池寿命に与える影響の分析や、高負荷条件下での電池の劣化パターンの予測が含まれます。

6. 標準化されたテスト: ラボテストは、さまざまな電池材料と電池システムを評価する標準化された方法を提供し、さまざまな製品間の比較可能性を保証します。この標準化されたテストは、研究者とメーカーがさまざまな電池技術を比較し、より情報に基づいた選択を行うのに役立ちます。

2.4 文献におけるレートパフォーマンスの分析

1. 低温水性電池 (LTAB) 用の不凍液電解質を設計するには、適切な H2O-溶質システムが重要です。中国科学院（CAS）物理研究所の Yongsheng Hu 氏と Yaxiang Lu 氏、香港中文大学（CUHK）の Yijun Lu 氏、CAS プロセス工学研究所の Junmei Zhao 氏は、イオン電位の高い陽イオン（Al3+、Ca2+ など）の補助塩またはドナー数の多い共溶媒（エチレングリコールなど）を導入してポリ溶媒システムを作成し、Te が低く SCA が強い電解質を実現する一般的な戦略を提案しました。

設計された電解質を使用して異なる温度での電池性能を実証するために、著者らはプルシアンブルーのようなアノードNaFeMnHCF（Na1.65Fe0.21Mn0.79[Fe(CN)6]0.92-2.08H2O）を合成し、2つのアノード材料を準備しました。1つは高エネルギー密度を実現するために使用されたポリアニオンアノードNaTi2(PO4)3、もう1つは超低温で動作する有機アノード3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸ジイミド（PTCDI）です。25°Cでは、NaFeMnHCF/Na-H2O-EG/NaTi2(PO4)3フルセルは2Cで80 Wh kg-1のエネルギー密度を提供し、8Cで5000サイクル後も70%の容量保持率を維持しました。 -80°C では、NaFeMnHCF/Na-H2O-Ca/PTCDI ボタンセルは 20 Wh kg-1 という高いエネルギー密度を提供し、0.1C で 20 サイクル後も 93.1% の容量保持率を維持します。さらに、-85°C でも、ボタンセルは 0.1C で 12.5 Wh kg-1 というエネルギー密度を提供します。

図 1 水性電池の電気化学性能グラフ

2. 全固体ナトリウム電池 (ASSSB) は、リチウム電池に代わる大規模で安全、低コストのエネルギー貯蔵装置です。カナダのウォータールー大学の Linda F. Nazar 教授は、ACS Energy Letter に「スケーラブルな金属酸化ナトリウム固体電解質によって実現される 4V Na 固体電池」と題する研究論文を発表しました。Na+ 高速イオン伝導体である NaTaOCl4 は、穏やかな機械反応合成法によって調製されました。

P2 型 Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 (NNMO) は、NTOC の電気化学特性を実証するために高電圧正極として選択されました。負極側には Na3Sn/Na2Sn が使用され、負極を Na3Sn/Na2Sn の還元から保護するために Na4(CB11H12)2(B12H12) の薄層が使用されました。 ASSSB は、レート試験用のアノード材料として Na3Sn の代わりに Na2Sn を使用した場合にも、優れた多重度性能を示しました (図 c)。この研究では、多重度 0.1C、0.2C、0.5C、1C、0.1C で、各レートで 5 サイクルの多重度性能をテストしました。

図 2 固体電池の電気化学性能グラフ

3. BTS 8.0 レート機能の紹介

3.1 非表示の C レートモードを呼び出す方法と C レートモードの設定/使用方法

定電流充電/放電作業ステップを設定するときに、電流値を直接入力できます。また、ページの下部にある乗数モードを選択し、活物質の公称比容量と質量を入力してから乗数値を入力すると、ソフトウェアは対応する乗数の下で電流値を自動的に計算できます。乗数モードを使用すると、電流値を入力する必要があるステップの時間を設定できます。

図 3 BTS ソフトウェア乗数モードの紹介図

作業ステップ設定ページに乗数オプションがない場合は、メインページの上部に戻り、「設定」をクリックして「システム設定」を選択し、ページの左側にある「作業ステップ編集」をクリックします。

「ステップパラメータ設定」で、右側にある「乗数」を選択します。中央の矢印記号をクリックして、「倍率」ステータスを非表示から表示に変更します。

図 4 BTS ソフトウェアの C レート機能の呼び出し

ページを下にスクロールし続けると、必要に応じて乗数ステップパラメータを「公称容量」または「公称固有容量」に設定できます。

次に、[保存] をクリックし、ユーザー名: admin、パスワード: 新威を入力して、[確認] をクリックします。

図 5 C レートステップパラメータ設定

チャンネルのメインページに戻り、右クリックして [単位設定] を選択すると、特定のボリューム単位を変更できます。選択できる単位は複数あります。

図 6 比容量単位の変更

3.2 BTS8.0 を使用して電池のレート性能をテストする方法 (作業手順の設定)

負極材料の研究を例にとると、まず定電流放電作業手順を設定し、次に定電流充電作業手順を設定します。ページ下部の「C レートモード」をチェックし、さまざまな乗算パラメータを入力すると、レートに対応する電流値が自動的に計算されます。一般的なレート勾配は 0.1C、0.5C、1C、2C、5C、10C、20C です。

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