لماذا تقل سعة بطاريات الليثيوم أيون؟

بطارية الليثيوم أيون يشير تدهور السعة إلى الظاهرة التي تفقد فيها بطاريات الليثيوم أيون تدريجياً سعتها المتوفرة مع مرور الوقت ومع عمر البطارية. ما هو آلية تدهور السعة؟

1. تغير الحجم

أثناء عملية شحن وتفريغ البطارية، تُدْمج أيونات الليثيوم وتخرج من المواد، مما يؤدي إلى تمدد أو انكماش شبكات المواد الموجبة والسالبة بدرجات متفاوتة.

أ. تتغير البنية الدقيقة لمادة الكاثود، مما يؤدي إلى تقليل كمية الليثيوم المُدَخَّن. وفي ظروف الشحن الزائد، تهاجر أيونات الليثيوم بسرعة إلى الأنود، مما يؤدي إلى انهيار شبكة الكاثود.

ب. يتغير حجم الجرافيت في القطب السالب أثناء دخول وخروج الليثيوم الأيونات الليثيومية ويمكن أن يصل إلى 10%، مما يؤدي إلى تشقق الجسيمات.

2. تشكيل فيلم SEI

أثناء مرحلة تشكيل البطارية، تتفاعل أيونات الليثيوم كيميائيًا مع بعض مكونات الإلكتروليت أثناء عملية الشحن والتفريغ الأولى، مشكلةً واجهة إلكتروليت صلبة غير قابلة للعكس في المنطقة الفاصلة بين القطب السالب والإلكتروليت. وخلال عمليات الشحن والتفريغ، تتعرض طبقة SEI للاستمرار في التحلل والتجديد، مما يؤدي إلى تقليل أيونات الليثيوم النشطة، وزيادة سمك فيلم SEI، وزيادة في المقاومة الداخلية.

3. نمو فروع الليثيوم (Lithium dendrite growth)

تحت ظروف درجات الحرارة المنخفضة، والشحن السريع، والشحن الزائد، تستمر أيونات الليثيوم بالتحرك نحو القطب السالب. تكون سرعة استخراج أيونات الليثيوم أكبر من سرعة دمجها، مما يؤدي إلى ترسب أيونات الليثيوم بالقرب من القطب السالب وانخفاض في الليثيوم النشط.

4. تحلل الإلكتروليت

يحدث تحلل الإلكتروليت بشكل أساسي من خلال مسارين: التحلل الكهروكيميائي والتحلل الكيميائي. ينقسم التحلل الكهروكيميائي إلى تحلل أكسدي على جانب الإلكترود الموجب وتحلل اختزالي على جانب الإلكترود السالب. يحدث التحلل الأكسدي على جانب الإلكترود الموجب عندما يكون جهد الإلكترود الموجب أكبر من 4.5 فولت، مما يؤدي إلى انتفاخ البطارية وزيادة مقاومة الوصلات. يحدث التحلل الاختزالي على جانب الإلكترود السالب عندما يكون جهد الإلكترود السالب منخفضًا (أقل من 0.8 فولت)، مما يؤدي إلى زيادة سماكة طبقة SEI في البطارية وتقليل كمية الليثيوم الفعّال. ينقسم التحلل الكيميائي إلى تفاعلات محفزة بواسطة كميات ضئيلة من الماء وتفاعلات تحلل عند درجات الحرارة العالية. تسبب التفاعلات المحفزة بواسطة كميات ضئيلة من الماء تآكل الإلكترود الموجب. تؤدي تفاعلات التحلل عند درجات الحرارة العالية إلى جفاف الإلكتروليت، مما يؤدي إلى اتجاه البطارية نحو التفاعل الحراري العنيف.

5. تآكل جمع التيار

يصنف تآكل جامع التيار على أنه تآكل في رقائق الألومنيوم للقطب الموجب عند الجهد العالي وتآكل في رقائق النحاس للقطب السالب عند الجهد المنخفض. عندما يتجاوز جهد القطب الموجب 3.8 فولت، يتأكسد رقائق الألومنيوم للمحطة الموجبة وي corrode. في حالة الشحن الزائد، عندما يكون جهد القطب السالب أقل من 3 فولت، يذوب رقائق النحاس ويهاجر إلى القطب الموجب ويترسب على سطح القطب الموجب.

هناك أيضًا فشل في عوامل التوصيل وتدهور في أغشية الفاصل.