Срок службы и безопасность полимерных литий-ионных аккумуляторов

Срок службы литий-ионной батареи

Батареи используются, не кажутся прочными, емкость не больше, чем раньше, это постоянный спад жизненного цикла.

Снижение жизненного цикла на самом деле представляет собой тенденцию к изменению фактической доступной емкости батареи по сравнению с ее номинальной емкостью на момент поставки.

Для идеальной литий-ионной батареи баланс емкости в ее цикле не меняется, и начальная емкость в каждом цикле должна быть определенным значением, но на самом деле ситуация намного сложнее. Любая побочная реакция, которая может производить или потреблять ионы лития, может привести к изменению баланса емкости аккумулятора. Как только состояние баланса емкости батареи изменяется, это изменение необратимо и может накапливаться в течение нескольких циклов, что может серьезно повлиять на производительность цикла батареи.

На срок службы ионно-литиевых батарей влияет множество факторов, но основная причина заключается в том, что количество ионов лития, участвующих в передаче энергии, постоянно уменьшается. Следует отметить, что общее количество литиевых элементов в аккумуляторе не уменьшилось, но «активированных» ионов лития стало меньше. Они застряли в других местах или каналы активности заблокированы и не могут свободно участвовать в процессе круговой зарядки и разрядки.

Таким образом, нам просто нужно выяснить, куда деваются ионы лития, которые должны были участвовать в окислительно-восстановительной реакции, и мы можем выяснить механизм снижения емкости, а также мы можем принять целевые меры, чтобы замедлить снижение емкость литиевых батарей и увеличение срока службы литиевых батарей.

1. Осаждение металлического лития.

Из предыдущего анализа мы знаем, что литий-ионные батареи не должны существовать в металлической форме лития, элементы лития находятся либо в форме оксидов металлов, литиевых соединений углерода, либо в форме ионов.

Осаждение металлического лития обычно происходит на отрицательной поверхности. По какой-то причине, когда ионы лития мигрируют к поверхности отрицательного электрода, некоторые ионы лития не попадают в отрицательно активный материал с образованием стабильного соединения. Вместо этого электроны получаются и осаждаются на поверхности отрицательного электрода, превращаясь в металлический литий, и больше не участвуют в последующих циклах. Процесс приводит к снижению емкости.

В этом случае, как правило, есть несколько причин: зарядка превышает напряжение отключения; Высокая скорость зарядки; Негативных материалов недостаточно. Когда перезарядки или отрицательного материала недостаточно, отрицательный полюс не может принять ионы лития, которые мигрировали с положительного полюса, что приводит к осаждению металлического лития. Когда большой коэффициент заряжен, из-за чрезмерного количества ионов лития, достигающих отрицательного полюса за короткий период времени, возникают скопление и осаждение.

Осаждение металлического лития не только приведет к сокращению срока службы, но также в серьезных случаях приведет к короткому замыканию положительных и отрицательных полюсов, что вызовет серьезные проблемы с безопасностью.

Чтобы решить эту проблему, необходимо иметь разумное соотношение материалов положительного и отрицательного электродов и в то же время строго ограничивать условия использования литиевых батарей, чтобы избежать превышения предела использования. Конечно, если исходить из соотношения характеристик, это также может частично увеличить срок службы.

2. Разложение позитивного материала

Литийсодержащие оксиды металлов в качестве положительных материалов, хотя и обладают достаточной стабильностью, продолжают разлагаться при длительном использовании, образуя некоторые электрохимические инертные вещества (такие как Co 3O4, Mn2O3 и т. Д.) И некоторые горючие газы., Это разрушает емкость баланс между электродами и вызывает необратимую потерю емкости.

Эта ситуация особенно очевидна при перезарядке, а иногда даже резкое разложение и выделение газа могут повлиять не только на емкость аккумулятора, но и на серьезную угрозу безопасности.

Помимо строгого ограничения напряжения отключения зарядки аккумулятора, повышение химической стабильности и термической стабильности материала положительного электрода также является возможным методом снижения скорости снижения срока службы.

3. Мембрана SEI на поверхности электрода.

Как упоминалось ранее, литий-ионные батареи с углеродом в качестве отрицательного электрода будут формировать слой мембраны из твердого электролита (SEI) на поверхности электрода во время начального цикла, и различные материалы отрицательного электрода будут иметь определенные различия. Однако в состав мембраны SEI в основном входят карбонат лития, сложный алкиловый эфир лития, гидроксид лития и т. Д. Конечно, есть также продукты разложения соли и некоторые полимеры.

Процесс формирования мембраны SEI потребляет ионы лития в батарее, а мембрана SEI нестабильна и будет продолжать разрушаться во время цикла, обнажая новые углеродные поверхности и вступая в реакцию с электролитами с образованием новой мембраны SEI. Это будет продолжать вызывать постоянные потери ионов лития и электролитов, что приведет к снижению емкости аккумулятора. Мембрана SEI имеет определенную толщину. Хотя ионы лития могут проникать внутрь, мембрана SEI будет вызывать блокировки диффузии отрицательной части поверхности, что не способствует диффузии ионов лития в материале отрицательного электрода. Это также вызовет уменьшение емкости аккумулятора.

4. Влияние электролитов.

В процессе непрерывного цикла из-за ограничений химической стабильности и термической стабильности электролиты будут продолжать разлагаться и испаряться, которые будут накапливаться в течение длительного времени, что приведет к снижению общего количества электролитов, недостаточной инфильтрации положительных и отрицательных материалы и неполные реакции зарядки и разрядки. Вызывает снижение фактической емкости использования.

Электролит содержит активные водородные вещества и ионы металлов, таких как железо, натрий, алюминий и никель. Поскольку окислительный потенциал примесей, как правило, ниже, чем положительный потенциал литий-ионных батарей, он легко окисляется на положительной поверхности, а оксид восстанавливается на отрицательном электроде, постоянно потребляя положительные и отрицательные активные вещества, вызывая самозагрязнение. разряд, то есть изменение разряда аккумулятора в случае ненормального использования. Срок службы аккумулятора определяется количеством циклов, а электролит, содержащий примеси, напрямую влияет на количество циклов.

Электролит также содержит некоторое количество воды. Вода реагирует с LiFP6 в электролите с образованием LiF и HF. HF, в свою очередь, разрушает мембрану SEI и генерирует больше LiF, вызывая осаждение LiF и постоянное потребление активных ионов лития. Уменьшает срок службы батареи.

Из приведенного выше анализа видно, что электролиты имеют очень важное влияние на срок службы литий-ионных батарей. Выбор подходящих электролитов значительно увеличит срок службы батарей.

5. Засорение или повреждение изолирующей мембраны.

Роль изолирующей мембраны заключается в разделении положительного и отрицательного полюсов батареи для предотвращения коротких замыканий. В процессе цикла литий-ионной батареи высыхание и выход из строя разделительной мембраны является важной причиной раннего ухудшения характеристик батареи. Это в основном связано с отсутствием электрохимической стабильности и механических свойств самой изолирующей пленки, а также с проникновением электролита в изолирующую пленку во время повторяющегося процесса зарядки. Из-за высыхания изоляционной мембраны омическое сопротивление аккумулятора увеличивается, что приводит к закупорке канала зарядки и разрядки, неполной зарядке и разрядке, и емкость аккумулятора не может вернуться в исходное состояние, что значительно снижает емкость аккумулятора. и срок службы.

6. Отваливаются положительные и отрицательные материалы.

Положительные и отрицательные активные вещества прикрепляются к матрице связующими веществами. В процессе длительного использования из-за выхода из строя связующих и механической вибрации аккумулятора положительные и отрицательные активные вещества продолжают выпадать и попадать в раствор электролита. Это приводит к постоянному сокращению количества активных веществ, которые могут участвовать в электрохимических реакциях, и непрерывному сокращению срока службы батареи.

Долговременная стабильность связующего и хорошие механические свойства батареи замедляют сокращение срока службы батареи.

7. Факторы внешнего использования

Литий-ионные батареи имеют разумные условия и диапазон использования, такие как зарядка и разрядка при отключенном напряжении, коэффициент зарядки и разрядки, диапазон рабочих температур, диапазон температур хранения и т. Д. Однако при фактическом использовании злоупотребления за пределами допустимого диапазона очень распространены. . Длительное неразумное использование приведет к необратимым химическим реакциям в батарее, вызывая повреждение механизма батареи, ускоряя старение батареи и вызывая быстрое сокращение срока службы., Серьезный, Есть также инциденты, связанные с безопасностью.

Страница содержит содержимое машинного перевода.