ประสิทธิภาพอัตราการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนที่ขั้วบวกและขั้วลบ อิเล็กโทรไลต์ และส่วนต่อประสานระหว่างแบตเตอรี่ทั้งสอง ความต้านทานภายใน) จะส่งผลต่อประสิทธิภาพอัตราการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน นอกจากนี้ อัตราการระบายความร้อนภายในแบตเตอรี่ยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของอัตรา หากอัตราการระบายความร้อนช้า ความร้อนที่สะสมระหว่างการชาร์จและการปล่อยที่มีอัตราสูงจะไม่สามารถถ่ายเทออกได้ ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ดังนั้น การวิจัยและปรับปรุงประสิทธิภาพอัตราการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่เริ่มจากสองด้าน: การปรับปรุงความเร็วในการย้ายลิเธียมไอออนและอัตราการกระจายความร้อนภายในแบตเตอรี่

1. ปรับปรุงความสามารถในการแพร่ของลิเธียมไอออนของอิเล็กโทรดบวกและลบ

อัตราที่ลิเธียมไอออนถูกดีอินเทอร์คาเลตและอินเทอร์คาเลตภายในวัสดุแอกทีฟเชิงบวก/เชิงลบ กล่าวคือ ความเร็วที่ลิเธียมไอออนหมดจากวัสดุแอกทีฟเชิงบวก/เชิงลบ หรือป้อนวัสดุแอคทีฟจากพื้นผิวด้านบวก/ด้านลบเพื่อหาที่ที่จะ "กลับบ้าน" ความเร็วเท่าไหร่ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่ออัตราการชาร์จและการคายประจุ


ตัวอย่างเช่น มีการวิ่งมาราธอนมากมายทั่วโลกทุกปี แม้ว่าทุกคนจะเริ่มต้นพร้อมกัน แต่ความกว้างของถนนก็มีจำกัด และผู้คนจำนวนมาก (บางครั้งมากถึงหลายหมื่นคน) เข้าร่วม ทำให้เกิดความแออัดของกันและกันและสุขภาพร่างกายของผู้เข้าร่วม คุณภาพไม่สม่ำเสมอและในที่สุดทีมของการแข่งขันจะกลายเป็นแนวหน้าที่ยาวนานมาก บางคนไปถึงเส้นชัยอย่างรวดเร็ว บางคนไปสายไม่กี่ชั่วโมง บางคนถึงกับโคม่าและหยุดไปครึ่งทาง

การแพร่กระจายและการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนในขั้วบวกและขั้วลบโดยพื้นฐานแล้วคล้ายกับการวิ่งมาราธอน มีทั้งวิ่งช้าและวิ่งเร็ว นอกจากนี้ ความยาวของถนนที่แต่ละคนเลือกนั้นแตกต่างกัน ซึ่งจำกัดเวลาสำหรับการสิ้นสุดการแข่งขันอย่างจริงจัง (ทุกคนวิ่งเสร็จแล้ว) เราจึงไม่อยากวิ่งมาราธอน ดีกว่าสำหรับทุกคนที่จะวิ่ง 100 เมตร ระยะทางสั้นพอให้ทุกคนไปถึงเส้นชัยได้อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ลู่วิ่งควรกว้างพอ ไม่พลุกพล่าน และถนนไม่ควรคดเคี้ยวและคดเคี้ยว เส้นตรงคือสิ่งที่ดีที่สุดเพื่อลดความยากของเกม ส่งผลให้ผู้ตัดสินออกคำสั่ง ทหารหลายพันนายวิ่งเข้าเส้นชัยพร้อมกัน เกมจบลงอย่างรวดเร็ว และประสิทธิภาพตัวคูณก็ยอดเยี่ยม

ที่วัสดุแคโทด เราหวังว่าชิ้นขั้วควรจะบางพอ นั่นคือ ความหนาของวัสดุที่ใช้งานควรจะเล็ก ซึ่งเทียบเท่ากับการลดระยะของการแข่งขัน ดังนั้นเราจึงหวังว่าจะเพิ่มความหนาแน่นของการบดอัดของ วัสดุแคโทดให้ได้มากที่สุด ภายในวัสดุที่ใช้งานควรมีช่องว่างเพียงพอที่จะปล่อยให้ไอออนลิเธียมแข่งขัน ในเวลาเดียวกัน "แทร็ก" เหล่านี้ควรกระจายอย่างสม่ำเสมอ ไม่ใช่ในบางแห่ง แต่ไม่ควรกระจายในบางแห่ง สิ่งนี้ต้องการการปรับโครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรดบวกให้เหมาะสม เปลี่ยนระยะห่างและโครงสร้างระหว่างอนุภาคเพื่อให้ได้การกระจายที่สม่ำเสมอ สองประเด็นข้างต้นขัดแย้งกันจริงๆ หากความหนาแน่นของการบดอัดเพิ่มขึ้น แม้ว่าความหนาจะบางลง แต่ช่องว่างของอนุภาคจะเล็กลง และรันเวย์ก็จะดูแออัด ในทางตรงกันข้าม การรักษาช่องว่างของอนุภาคไว้ไม่เอื้อต่อการทำให้วัสดุบางลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องหาจุดสมดุลเพื่อให้ได้อัตราการย้ายลิเธียมไอออนที่ดีที่สุด


นอกจากนี้ วัสดุแคโทดของวัสดุต่างๆ มีผลอย่างมากต่อค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของลิเธียมไอออน ดังนั้น การเลือกวัสดุแคโทดที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของลิเธียมไอออนค่อนข้างสูงจึงเป็นทิศทางที่สำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของอัตรา

แนวคิดในการประมวลผลของวัสดุอิเล็กโทรดลบนั้นคล้ายกับวัสดุอิเล็กโทรดบวก ส่วนใหญ่เริ่มต้นจากโครงสร้าง ขนาด และความหนาของวัสดุเพื่อลดความแตกต่างของความเข้มข้นของลิเธียมไอออนในวัสดุอิเล็กโทรดลบ และปรับปรุงความสามารถในการแพร่ของลิเธียมไอออนในวัสดุอิเล็กโทรดลบ ยกตัวอย่างวัสดุแอโนดที่มีคาร์บอนเป็นหลัก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุนาโนคาร์บอน (ท่อนาโน ลวดนาโน นาโนสเฟียร์ ฯลฯ) สามารถปรับปรุงพื้นที่ผิวเฉพาะ โครงสร้างภายใน และช่องทางการแพร่ได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของอัตราได้อย่างมาก ของวัสดุอิเล็กโทรดลบ

2. ปรับปรุงการนำอิออนของอิเล็กโทรไลต์

ลิเธียมไอออนเล่นการแข่งขันในวัสดุอิเล็กโทรดบวก/ลบ แต่จะว่ายอยู่ในอิเล็กโทรไลต์

ในการแข่งขันว่ายน้ำ วิธีการลดความต้านทานของน้ำ (อิเล็กโทรไลต์) ได้กลายเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงความเร็ว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักว่ายน้ำมักสวมชุดฉลาม ซึ่งสามารถลดความต้านทานที่เกิดจากน้ำบนพื้นผิวของร่างกายมนุษย์ได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของนักกีฬา และกลายเป็นหัวข้อที่ถกเถียงกันมาก

ลิเธียมไอออนต้องเคลื่อนที่ไปมาระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ เช่นเดียวกับการว่ายน้ำใน "สระว่ายน้ำ" ที่เกิดจากอิเล็กโทรไลต์และกล่องแบตเตอรี่ อิทธิพล อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กโทรไลต์เหลวหรืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกต่ำ ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์กลายเป็นส่วนสำคัญของความต้านทานของแบตเตอรี่ทั้งหมด และไม่สามารถมองข้ามผลกระทบที่มีต่อประสิทธิภาพการทำงานที่มีอัตราสูงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้

นอกจากการปรับปรุงการนำไอออนของอิเล็กโทรไลต์แล้ว ยังจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับความเสถียรทางเคมีและทางความร้อนของอิเล็กโทรไลต์ด้วย ในระหว่างการชาร์จและการคายประจุที่มีอัตราสูง หน้าต่างไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่จะแตกต่างกันอย่างมาก หากความเสถียรทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์ไม่ดี ก็จะเกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์และย่อยสลายได้ง่ายบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวก ซึ่งส่งผลต่อค่าการนำไฟฟ้าอิออนของอิเล็กโทรไลต์ ความคงตัวทางความร้อนของอิเล็กโทรไลต์มีผลกระทบอย่างมากต่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เนื่องจากจะมีก๊าซจำนวนมากถูกสร้างขึ้นเมื่ออิเล็กโทรไลต์สลายตัวด้วยความร้อน ซึ่งในมือข้างหนึ่งมีอันตรายซ่อนเร้นต่อความปลอดภัย ของแบตเตอรี่ และในทางกลับกัน ก๊าซบางชนิดก็เป็นอันตรายต่อพื้นผิวของขั้วลบ ฟิล์ม SEI มีผลทำลายล้าง

ดังนั้น การเลือกอิเล็กโทรไลต์ที่มีการนำลิเธียมไอออนสูง มีความเสถียรทางเคมีและทางความร้อนที่ดี และวัสดุอิเล็กโทรดที่เข้าชุดกันจึงเป็นทิศทางที่สำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพอัตราของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

3. ลดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่

มีสารและส่วนต่อประสานที่แตกต่างกันหลายอย่างระหว่างสารที่เกี่ยวข้องที่นี่ และค่าความต้านทานที่ก่อตัว แต่ทั้งหมดมีผลต่อการนำไอออน/อิเล็กตรอน

โดยทั่วไป สารนำไฟฟ้าจะถูกเพิ่มเข้าไปในวัสดุแอกทีฟของอิเล็กโทรดบวก ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างวัสดุแอคทีฟ ระหว่างวัสดุแอคทีฟกับเมทริกซ์อิเล็กโทรดบวก/ตัวเก็บกระแส ปรับปรุงการนำไฟฟ้า (การนำไฟฟ้าอิออนและอิเล็กทรอนิกส์) ของขั้วบวก วัสดุอิเล็กโทรดและปรับปรุงประสิทธิภาพอัตรา สารนำไฟฟ้าของวัสดุและรูปทรงต่างๆ จะส่งผลต่อความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของอัตรา

ตัวสะสมปัจจุบัน (แถบขั้ว) ของขั้วบวกและขั้วลบเป็นพาหะของการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกับโลกภายนอก ค่าความต้านทานของตัวสะสมปัจจุบันยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของอัตราของแบตเตอรี่ ดังนั้น ด้วยการเปลี่ยนวัสดุ ขนาด วิธีการสกัด กระบวนการเชื่อมต่อ ฯลฯ ของตัวสะสมกระแสไฟ ประสิทธิภาพของอัตราและวงจรชีวิตของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงสามารถปรับปรุงได้

ระดับการแทรกซึมระหว่างอิเล็กโทรไลต์กับวัสดุที่เป็นบวกและลบจะส่งผลต่อความต้านทานการสัมผัสที่ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของอัตราของแบตเตอรี่ ปริมาณอิเล็กโทรไลต์ ความหนืด ปริมาณสิ่งเจือปน รูพรุนของวัสดุบวกและลบ ฯลฯ จะเปลี่ยนความต้านทานการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด ซึ่งเป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของอัตรา

ในระหว่างรอบแรกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เมื่อลิเธียมไอออนถูกใส่เข้าไปในขั้วลบ ฟิล์มอิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดสเตต (SEI) จะก่อตัวขึ้นบนขั้วลบ แม้ว่าฟิล์ม SEI จะมีการนำไอออนที่ดี แต่ก็ยังส่งผลต่อการแพร่กระจายของลิเธียมไอออน มันมีผลขัดขวางโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อชาร์จและคายประจุในอัตราที่สูง ด้วยจำนวนรอบที่เพิ่มขึ้น ฟิล์ม SEI จะยังคงหลุด ลอก และสะสมบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดลบ ส่งผลให้ความต้านทานภายในของอิเล็กโทรดลบค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งจะกลายเป็นปัจจัยที่ส่งผลกระทบ ประสิทธิภาพอัตรารอบ ดังนั้น การควบคุมความผันแปรของฟิล์ม SEI จึงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอัตราแบตเตอรี่ Li-ion ในระหว่างการปั่นจักรยานระยะยาวได้

นอกจากนี้ อัตราการดูดซึมของเหลวและความพรุนของตัวแยกยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อทางเดินของลิเธียมไอออน และยังส่งผลต่อประสิทธิภาพอัตรา (ค่อนข้างเล็ก) ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในระดับหนึ่ง