Механизмы разрушения литий-ионных аккумуляторов - научная магия

Литий-ионные батареи характеризуются более высокой гравиметрической и объемной плотностью энергии и являются одной из самых известных и постоянно развивающихся технологий хранения энергии. Они также хорошо известны, особенно своими мобильными приложениями. Однако ограниченный срок службы литий-ионных батарей препятствует их длительному использованию в приложениях, требующих фиксированного накопления энергии. Чтобы обеспечить более широкое проникновение на рынок литий-ионных аккумуляторов, необходимо детальное понимание механизмов деградации. Типичная литий-ионная батарея состоит из активного материала, связующего, сепаратора, токосъемника и электролита. И взаимодействие, которое происходит между этими компонентами, действительно играет решающую роль в правильной работе батарей. Деградация литий-ионных батарей может иметь как химическое, так и механическое происхождение и может ощущаться по потере емкости, ухудшению характеристик или по тому и другому.

Прогностические модели для ожидаемого срока службы литий-ионных аккумуляторов должны учитывать различные режимы электрохимического, механического и термического разложения, которые происходят с аккумуляторами в условиях их применения. Литий-ионные аккумуляторы также могут иметь разные траектории разрушения в зависимости от условий хранения и цикличности среды использования. Скорость разложения контролируется такими факторами, как предыстория температуры, электрохимическое рабочее окно и скорость заряда или разряда.

Определение механизмов деградации литий-ионных аккумуляторов

Механизмы механической деградации можно описать как изменения объема и напряжения, которые генерируются повторным внедрением ионов Li в активный материал, но механизмы химической деградации, с другой стороны, связаны с паразитными побочными реакциями, такими как образование твердого электролитического вещества. межфазный, разложение или восстановление электролитов и растворение активного материала.

Большинство проблем с батареями в основном связаны с химическими веществами. В нормальном или исправном аккумуляторе поток ионов постоянно находится между катодом и анодом. Зарядка батареи заставляет ионы от катодных ионов к аноду, однако этот поток меняется на противоположный, когда батарея используется.

Со временем катод изнашивается, что приводит к снижению его емкости. Литий-полимерный аккумулятор высокого класса может потерять около 20% своей емкости примерно после 1000 циклов зарядки. Вы также можете представить это по-другому; Каждый раз, когда вы заряжаете литий-ионный аккумулятор, вы сокращаете время его работы на несколько секунд. Эта деградация также может быть ускорена, если аккумулятор заряжается неравномерно и нагревается.

Состояние здоровья литий-ионного аккумулятора

Оценка состояния здоровья (SOH) литий-ионных аккумуляторов - одна из основных задач, стоящих перед созданием эффективной аккумуляторной системы с оптимальными характеристиками.

SOH - это «мера», которая отражает общее состояние батареи и способность батареи обеспечивать указанную мощность или производительность относительно новой батареи. При рассмотрении SOH учитываются такие факторы, как принятие заряда, напряжение и саморазряд, внутреннее сопротивление и т. Д. Это мера долговременной емкости батареи и является лишь «предположением», а не абсолютной мерой количества первоначальной энергии за весь срок службы в батарее и оставшегося количества. Если бы мы использовали аналогию с автомобилем, SOH литий-ионной батареи можно сравнить с функцией отображения «одометра», которая используется для индикации пробега и расстояния, пройденного или пройденного автомобилем с момента его появления на свет.

В течение срока службы литий-ионной батареи характеристики или «состояние здоровья» батареи постепенно ухудшаются из-за необратимых химических и физических изменений, которые происходят с течением времени при использовании до тех пор, пока аккумулятор больше не будет использоваться.

Состояние здоровья литий-ионной батареи является показателем стадии или точки, достигнутой в жизненном цикле батареи, поэтому оно дает представление о том, что осталось или чего следует ожидать.

В отличие от состояния заряда (SOC), которое можно просто определить путем измерения фактического заряда батареи, абсолютного определения SOH батареи может не быть. Это субъективная мера, потому что разные люди получают SOH из различных параметров производительности батареи и могут интерпретировать ее в соответствии со своими собственными правилами. Это скорее оценка, чем фактическое измерение. Это может быть правильным, если оценка сделана на основе набора правил, которые являются последовательными и измеримыми. Однако сравнение оценок, сделанных с помощью нескольких испытательных приборов и методов, может быть ненадежным.

Следовательно, производители аккумуляторов не предоставляют SOH, потому что они предоставляют новые аккумуляторы. SOH не применяется к батареям до тех пор, пока они не начнут стареть или после того, как они будут введены в эксплуатацию. Таким образом, определения SOH указываются производителем испытательного оборудования или пользователем.

Научные решения проблемы деградации литий-ионных аккумуляторов

Проблема старения батареи весьма чувствительна к каждому аспекту системы батарейного блока. Если смотреть с точки зрения производителя элементов, улучшение и развитие катодного компаунда могут улучшить характеристики батареи и время цикла, но тогда это может быть компенсировано анодами из кремниевого компаунда с более высокой плотностью энергии, которые вносят больший элемент механической деградации. Некоторые альтернативные химические процессы с гораздо большей продолжительностью жизни находятся в стадии разработки, хотя в настоящее время это происходит за счет плотности энергии.

Конструкция батареи улучшается, и она включает в себя знания об оптимальном терморегулировании ячеек, что обязательно окажет значительное влияние на срок службы батарей. Однако самой большой проблемой может быть система управления батареями, потому что она должна обеспечивать необходимую мощность и производительность, чтобы обеспечить максимально возможное время автономной работы для конкретного элемента. Тем не менее, в этом отношении был достигнут хороший прогресс, а также с определяемыми пользователем профилями зарядки, в том числе для предотвращения литиевого покрытия, температурной компенсации в рабочих стратегиях и интеллектуального времени зарядки для снижения уровня заряда.

Однако в настоящее время не найдено решения, которое могло бы гарантировать приемлемое время автономной работы в любых условиях. Этого можно достичь только за счет комбинации дополнительных усовершенствований конструкции элементов, улучшения аккумуляторных блоков и оптимизации использования аккумуляторов, а также понимания основных механизмов старения возникающих химических составов элементов.