Понимание факторов, вызывающих снижение емкости литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторы произвели сдвиг в мире электроники и электромобилей благодаря своей высокой плотности энергии, легкому дизайну и возможности перезаряжания. Однако, как и любая батарея, они склонны к снижению емкости с течением времени и при частом использовании. Снижение емкости означает снижение способности аккумулятора удерживать заряд. В этой статье мы исследуем причины этого явления снижения емкости литий-ионных аккумуляторов и прольем свет на механизмы, связанные с этим.

Материалы анода и катода

Материалы, используемые как для анода, так и для катода в литий-ионных батареях, играют роль в определении их производительности и долговечности. Эти компоненты состоят из материалов, которые облегчают движение ионов лития во время циклов зарядки-разрядки.

Анодный материал;

Традиционно графит отдавался предпочтение в качестве материала для изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов из-за его способности интеркалировать ионы лития. Тем не менее, несмотря на это преимущество, графитовые аноды не полностью защищены от снижения емкости. Несколько факторов способствуют снижению емкости, связанной с анодом;

Рост интерфазы твердого электролита (SEI); Со временем, когда ионы лития неоднократно вводятся и извлекаются, на поверхности анода образуется слой, называемый межфазным слоем твердого электролита (SEI). Хотя этот слой имеет решающее значение для стабильности батареи, его постоянный рост может препятствовать потоку ионов лития, что приводит к снижению емкости.

Потеря активного материала; Еще одним фактором снижения емкости анода является потеря активного материала. Когда аккумулятор подвергается циклам зарядки-разрядки, крошечные частицы графитового анода могут оторваться, что приведет к снижению его емкости.

катодные материалы;

Катоды литий-ионных аккумуляторов обычно состоят из таких материалов, как оксид лития-кобальта (LiCoO2), оксид лития-марганца (LiMn2O4), фосфат лития-железа (LiFePO4) и других. Каждый катодный материал обладает свойствами, которые могут способствовать снижению емкости посредством механизмов;

Растворение переходного металла; Катодные материалы часто содержат переходные металлы, такие как кобальт, марганец и железо. Во время циклов зарядки и разрядки эти металлы могут растворяться в электролите аккумулятора. Присутствие растворенных ионов металлов может повлиять на работу батареи, что приведет к снижению ее емкости.

3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4 -40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Структурные изменения; Некоторые материалы, используемые в катодах, могут претерпевать изменения в своей структуре по мере того, как аккумулятор проходит циклы зарядки и разрядки. Это может со временем привести к уменьшению емкости аккумулятора. Один из примеров этого можно увидеть в катодах из оксида лития и кобальта.

Токосъемник;

Токосъемник играет роль в литий-ионных батареях, соединяя материалы анода и катода с внешней цепью. Хотя токосъемники обычно изготавливаются из таких материалов, как медь или алюминий, они все же могут способствовать потере емкости.

Коррозия токосъемника; Со временем токосъемник может подвергнуться коррозии из-за воздействия электролита и электрохимических процессов, происходящих во время циклов зарядки и разрядки. Эта коррозия ослабляет связь между материалами и внешней цепью, что приводит к увеличению сопротивления и потере емкости.

Расслаивание; Расслаивание означает разделение между коллектором и активным материалом внутри электрода. Такое разделение может произойти из-за напряжений, возникающих во время работы аккумулятора. Когда происходит расслоение, оно нарушает поток электронов и движение ионов лития, что приводит к снижению емкости аккумулятора и общей производительности.

Факторы заряда и разряда

Процессы заряда и разряда играют важную роль в функционировании литий-ионного аккумулятора. Несколько факторов, связанных с этими процессами, могут способствовать снижению мощности;

Переразряд; Зарядка или разрядка литий-ионных аккумуляторов может ускорить ухудшение их емкости. Перезарядка может вызвать образование металлического лития на аноде, что приведет к росту дендритов и коротким замыканиям, что поставит под угрозу как емкость, так и безопасность. С другой стороны, чрезмерная разрядка может привести к разрушению материала катода.

Высокие рабочие температуры; Повышенные температуры во время работы могут существенно повлиять на емкость литий-ионного аккумулятора. Более высокие температуры способствуют росту слоя, называемого межфазным слоем твердого электролита (SEI), который препятствует потоку ионов лития. Кроме того, он ускоряет растворение переходных металлов в катоде.

Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Глубина езды на велосипеде; Степень, в которой батарея подвергается циклическому циклированию, т. е. сколько заряда потребляется и разряжается во время каждого цикла, влияет на снижение емкости. Батареи, подвергающиеся циклическому циклированию, имеют тенденцию быстро терять емкость по сравнению с батареями, подвергавшимися циклическому циклированию в более узком диапазоне глубины разряда.

Скорость заряда; Скорость зарядки литий-ионного аккумулятора может повлиять на его долговременную емкость. Быстрая зарядка приводит к перегреву и напряжению внутри аккумулятора, тем самым ускоряя снижение емкости. Более медленная и контролируемая скорость зарядки обычно влияет на долгосрочную емкость аккумулятора.

Скорость разряда; Скорость разрядки аккумулятора может повлиять на его емкость. Высокие скорости разряда, подобные тем, которые необходимы для ускорения транспортных средств, могут способствовать увеличению снижения мощности. Управление скоростью сброса и использование буферных систем может помочь смягчить этот эффект.

Продолжительность отдыха; Периоды отдыха между циклами зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов могут помочь уменьшить снижение емкости. Во время этих периодов покоя химические реакции внутри батареи стабилизируются, уменьшая накопление SEI (межфазной фазы твердого электролита) и увеличивая ее емкость.

Цикл глубины разряда (DoD); Поддержание диапазона глубины разряда литий-ионных аккумуляторов во время их цикла может свести к минимуму снижение емкости. Батареи, которые часто разряжаются, например те, которые используются в приложениях, требующих отдачи энергии, более склонны к потере емкости.

Частота цикла; Частота, с которой происходят циклы зарядки и разрядки, также играет роль в снижении емкости. Батареи, которые подвергаются частому циклическому использованию, имеют тенденцию к быстрому снижению емкости по сравнению с батареями, используемыми с перерывами.

Принимая во внимание эти факторы, связанные с зарядкой и разрядкой, производители аккумуляторов и исследователи могут разработать стратегии по продлению срока службы и поддержанию емкости литий-ионных аккумуляторов. Это, в свою очередь, повысит производительность устройств и систем, использующих эти решения для хранения энергии.

Заключение

Для совершенствования аккумуляторной технологии и увеличения срока службы литий-ионных аккумуляторов крайне важно понять причины снижения емкости. Несмотря на то, что все батареи в той или иной степени подвержены этому явлению, исследователи и инженеры постоянно работают над стратегиями, позволяющими минимизировать его влияние.

Предпринимаются усилия по разработке материалов как для анода, так и для катода, которые обеспечивают повышенную стабильность и одновременно уменьшают рост поверхности раздела твердых электролитов (SEI). Кроме того, инновации в конструкции и материалах коллекторов направлены на минимизацию таких проблем, как коррозия и расслоение. Более того, достижения в области систем управления батареями помогают предотвратить такие проблемы, как перезарядка, чрезмерная разрядка и работа при высоких температурах.