Proč se snižuje kapacita lithiových baterií?

Lithium-ionovou baterii degradace kapacity označuje jev, při kterém lithiové baterie postupně ztrácejí svou dostupnou kapacitu v průběhu času a životnosti baterie. Jaký je mechanismus degradace kapacity?

1. Změna objemu

Během nabíjení a vybíjení baterie se lithiové ionty vkládají do a vylučují z elektrod, čímž způsobují různou míru expanze nebo smrštění mřížek kladných a záporných elektrodových materiálů.

A. Mikrostruktura kladné elektrodové hmoty se mění, což vede ke snížení množství vkládaného lithia. Při nadměrném nabíjení rychle migrují lithiové ionty ke záporné elektrodě, čímž dochází ke kolapsu mřížky kladné elektrody.

B. Objemová změna grafitu záporné elektrody při vkládání a vylučování lithia lithiové ionty může dosáhnout 10 %, což způsobuje vrstvení částic.

2. Vznik SEI vrstvy

Během fáze tvorby baterie chemicky reagují lithiové ionty s určitými složkami elektrolytu během prvního nabíjení a vybíjení a vytvářejí nevratné rozhraní tuhého elektrolytu na rozhraní mezi negativní elektrodou a elektrolytem. Během procesu nabíjení a vybíjení se SEI neustále rozkládá a regeneruje, což vede ke snížení aktivity lithiových iontů, zvýšení tloušťky filmu SEI a zvýšení vnitřního odporu.

3. Růst lithiových dendritů

Při nízké teplotě, rychlém nabíjení a přebíjení pokračují lithiové ionty v pohybu směrem k negativní elektrodě. Rychlost vylučování lithiových iontů je větší než rychlost vkládání lithiových iontů, což způsobuje usazování lithiových iontů v blízkosti negativní elektrody a snížení aktivity lithia.

4. Rozklad elektrolytu

Rozklad elektrolytu probíhá primárně dvěma cestami: elektrochemickým rozkladem a chemickým rozkladem. Elektrochemický rozklad je rozdělen na oxidační rozklad na straně kladné elektrody a redukční rozklad na straně záporné elektrody. Oxidační rozklad na straně kladné elektrody nastává, když je potenciál kladné elektrody >4,5 V, což způsobuje deformaci baterie (nafouknutí) a zvýšení přechodové impedance. Redukční rozklad na straně záporné elektrody nastává, když je potenciál uhlíkové záporné elektrody <0,8 V, čímž dochází k zesílení SEI vrstvy baterie a zmenšení množství aktivního lithia. Chemický rozklad je rozdělen na reakce katalyzované stopovým množstvím vody a reakce rozkladu za vysoké teploty. Reakce katalyzované stopovým množstvím vody způsobují korozi kladné elektrody. Reakce rozkladu za vysoké teploty způsobují vyschnutí elektrolytu, což vede k riziku tepelného úniku (thermal runaway).

5. Koroze proudového sběrače

Korozní poškození proudového sběrače je kategorizováno jako korozní poškození hliníkové fólie kladné elektrody při vysokém potenciálu a korozní poškození měděné fólie záporné elektrody při nízkém potenciálu. Když potenciál kladné elektrody překročí 3,8 V, hliníková fólie kladné elektrody oxiduje a koroduje. Při přebití, kdy je potenciál záporné elektrody nižší než 3 V, se měděná fólie rozpouští, migruje ke kladné elektrodě a usazuje se na jejím povrchu.

Také dochází k selhání vodivých přísad a stárnutí separátorů.