Zkoumání důvodů postupného poklesu kapacity lithiové baterie

Zkoumání důvodů postupného poklesu kapacity lithiové baterie

S rychlým rozvojem vědy a technologie se lithium-iontové baterie staly hlavní technologií skladování energie v oblastech, jako jsou mobilní zařízení a elektrická vozidla. Problém degradace kapacity lithium-iontové baterie však vždy existoval, což omezuje životnost a výkon baterie. Proč se kapacita lithium-iontové baterie snižuje? Podívej se.

Lithium-iontové baterie mají různé energie pro zabudování, když dojde k reakci zabudování mezi dvěma elektrodami, a poměr kapacity dvou hostitelských elektrod by měl udržovat rovnovážnou hodnotu, aby se z baterie dostal co nejlepší výkon.

In lithium-iontové baterie, kapacitní bilance je vyjádřena jako hmotnostní poměr kladné elektrody k záporné elektrodě, tj.: γ = m+/m- = ΔxC-/ΔyC+

Ve výše uvedené rovnici C označuje teoretickou coulombickou kapacitu elektrody a Ax a Δy označují stechiometrický počet iontů lithia uložených v záporné a kladné elektrodě. Z výše uvedené rovnice je vidět, že požadovaný hmotnostní poměr dvou elektrod závisí na odpovídajících coulombických kapacitách dvou elektrod a jejich příslušných počtech reverzibilních lithných iontů.

Obecně vedou menší hmotnostní poměry k neúplnému využití materiálu anody; větší hmotnostní poměry mohou představovat bezpečnostní riziko v důsledku přebíjení anody. Stručně řečeno, výkon baterie je nejlepší při optimalizovaném poměru hmotnosti.

U ideálního systému Li-ion baterií se obsahová bilance během cyklu cyklu nemění a počáteční kapacita je v každém cyklu určitá hodnota, skutečná situace je však mnohem složitější. Jakákoli vedlejší reakce, která produkuje nebo spotřebovává lithiové ionty nebo elektrony, může vést ke změně kapacitní rovnováhy baterie, a jakmile byla kapacitní rovnováha baterie změněna, změna je nevratná a může se akumulovat během mnoha cyklů s vážnými následky. vliv na výkon baterie. V lithium-iontových bateriích kromě redoxní reakce, ke které dochází při de-zabudování iontů lithia, dochází k velkému množství vedlejších reakcí, jako je rozklad elektrolytu, rozpouštění účinné látky, usazování lithiového kovu a tak dále.

01.Přebíjení

1. Reakce přebití grafitové anody:

Když je baterie přebitá, lithiové ionty se snadno redukují a ukládají na povrchu anody:

Li++e-=li(y)

Usazené lithium je zapouzdřeno na povrchu záporné elektrody a blokuje tak usazení lithia. To vede k nižší účinnosti vybíjení a ztrátě kapacity v důsledku:

① Snížení množství recyklovatelného lithia.

② Usazený lithiový kov reaguje s rozpouštědlem nebo podpůrným elektrolytem za vzniku Li2CO3, LiF nebo jiných produktů.

③ Kov lithia se obvykle tvoří mezi zápornou elektrodou a membránou, což může blokovat póry membrány a zvyšovat vnitřní odpor baterie;

④ Vzhledem k tomu, že lithium je velmi silné povahy, lze jej použít jako elektrolyt.

Vzhledem k aktivní povaze lithia je snadné reagovat s elektrolytem a spotřebovávat elektrolyt. To vede k nižší účinnosti vybíjení a ztrátě kapacity.

Rychlé nabíjení, nadměrná proudová hustota, vážná polarizace záporné elektrody, depozice lithia budou zjevnější. To má tendenci nastat tam, kde jsou aktivní složky kladné elektrody v přebytku vzhledem k aktivním složkám záporné elektrody. Avšak v případě vysoké rychlosti nabíjení, i když je poměr kladné a záporné elektrody aktivní, může také dojít k usazování kovového lithia.

2. Pozitivní reakce přebíjení elektrody

Když je poměr aktivního materiálu kladné elektrody k aktivnímu materiálu záporné elektrody příliš nízký, pravděpodobně dojde k přebití kladné elektrody.

Ztráta kapacity způsobená přebíjením anody je způsobena především tvorbou elektrochemických inertních látek (např. Co3O4, Mn2O3 atd.), které ničí kapacitní rovnováhu mezi elektrodami a její ztráta kapacity je nevratná.

(1) LiyCoO2

LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4+O2(g)]+yLiCoO2 y<0.4

Mezitím kyslík generovaný rozkladem katodového materiálu v utěsněné lithium-iontové baterii bude mít nepředstavitelné důsledky kvůli neexistenci rekombinační reakce (např. generování H2O), která se hromadí ve stejnou dobu s generovanými hořlavými plyny. rozkladem elektrolytu.

(2)A-Mn2

Lithium-manganová reakce probíhá ve stavu úplné delitiace oxidu lithia-manganu: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3.Oxidační reakce elektrolytu při přebití

Když je tlak vyšší než 4.5 V, elektrolyt bude oxidovat a vytvářet nerozpustné látky (jako je Li2Co3) a plyn, tyto nerozpustné látky budou blokovány v mikroporézním vnitřku elektrody, aby se zabránilo migraci iontů lithia, což způsobí ztrátu kapacita v procesu cyklování.

Faktory ovlivňující rychlost oxidace:

Povrchová plocha materiálu anody
Sběratelský materiál
Přidané vodivé činidlo (saze atd.)

Druhy a povrch sazí

Mezi dnes běžně používanými elektrolyty je EC/DMC považován za elektrolyt s nejvyšší oxidační odolností. Elektrochemický oxidační proces roztoku se obecně vyjadřuje takto: roztok → produkty oxidace (plyny, roztoky a pevné látky) + ne-

Oxidace jakéhokoli rozpouštědla zvýší koncentraci elektrolytu, sníží stabilitu elektrolytu a nakonec ovlivní kapacitu baterie. Za předpokladu, že se při každém nabíjení spotřebuje malá část elektrolytu, bude při montáži baterie potřeba více elektrolytu. Pro konstantní zásobník by to znamenalo naložení menšího množství aktivního materiálu, což by způsobilo pokles počáteční kapacity. Pokud navíc vznikají pevné produkty, vytvoří se na povrchu elektrody pasivační film, který způsobí zvýšení polarizace článku a sníží výstupní napětí článku.

02.Rozklad elektrolytů

Elektrolyt zahrnuje elektrolyt, rozpouštědlo a přísady, jejichž povaha bude mít vliv na životnost baterie, specifickou kapacitu, výkon multiplikátoru nabíjení a vybíjení a bezpečnost. Rozklad elektrolytu a rozpouštědla v elektrolytu způsobí ztrátu kapacity baterie. Při prvním nabití/vybití vytvoří rozpouštědla a další látky na povrchu záporné elektrody za účelem vytvoření filmu SEI nevratnou ztrátu kapacity, ale to je nevyhnutelná situace.

Pokud jsou v elektrolytu přítomny nečistoty jako voda nebo fluorovodík, může se elektrolyt LiPF6 rozkládat při vyšších teplotách a vznikající produkty mohou reagovat s materiálem katody, což má za následek ztrátu kapacity baterie. Současně budou některé produkty také reagovat s rozpouštědlem a ovlivnit stabilitu filmu SEI na povrchu anody, což způsobí zhoršení výkonu lithium-iontových baterií. Kromě toho, pokud produkty rozkladu elektrolytu nejsou kompatibilní s elektrolytem, ​​zablokují během migračního procesu póry anody, což povede ke snížení kapacity baterie.

03. Samovybíjení

Lithium-iontové baterie obecně, dojde ke ztrátě kapacity, tento proces se nazývá samovybíjení a dělí se na vratnou ztrátu kapacity a nevratnou ztrátu kapacity. Rychlost oxidace rozpouštědla má přímý vliv na rychlost samovybíjení a pozitivní a negativní aktivní materiály mohou reagovat s rozpuštěnou látkou během procesu nabíjení, což vede k migraci iontů lithia, aby se dokončila nerovnováha kapacity a nevratná degradace. lze vidět, že zmenšení plochy povrchu aktivního materiálu může snížit rychlost ztráty kapacity a rozklad rozpouštědla ovlivní životnost baterie. Kromě toho může únik membrány také vést ke ztrátě kapacity, ale tato možnost je nízká. Samovolné vybíjení, je-li prodlouženo, může vést k ukládání lithiového kovu a dále k útlumovým změnám v kapacitě kladných a záporných elektrod.

04. Nestabilita elektrody

Během procesu nabíjení je aktivní materiál kladné elektrody baterie nestabilní, což povede k její reakci s elektrolytem a ovlivní kapacitu baterie. Mezi nimi jsou hlavními faktory ovlivňujícími kapacitu baterie strukturální vady materiálu katody, vysoký nabíjecí potenciál a obsah sazí.

Přestože problém degradace kapacity lithium-iontových baterií není dosud zcela vyřešen, má se za to, že v blízké budoucnosti, s pokrokem vědy a techniky a rozvojem nových technologií baterií, bude tento problém vyřešen. To podpoří vývoj elektrických vozidel, mobilních zařízení a dalších průmyslových odvětví s cílem dosáhnout dlouhodobější a spolehlivější technologie skladování energie.

Jak připojit solární panel k baterii?

Jak připojit solární panel k baterii?

SBR: Nepostradatelné pojivo pro lithium-iontové baterie

SBR: Nepostradatelné pojivo pro lithium-iontové baterie

Prázdný obsah. Vyberte článek pro náhled

Získejte bezplatné řešení

Pro Váš Projekt

Můžeme vám zdarma přizpůsobit vaše vlastní řešení

kontaktujte nás