Hvorfor taber litium-ionbatterier deres ladning i hvile? Årsager og hvordan det kan begrænses

Selvudladning af lithium-ion batterier henviser til den naturlige nedgang i ladning/spænding når batteriet ikke er tilsluttet en ekstern kreds (dvs. i en åben kredsløbstilstand) . Dette er en iboende egenskab ved alle batterier, selvom i varierende grad. Selvom selvudladningsraten for lithium-ion batterier er relativt lav, sker det alligevel. De primære årsager kan inddeles som følger:

1. Uundgåelige kemiske bivirkninger (normal selvudladning):

(1) Vækst og opløsning af SEI-film:

Overfladen af anoden (typisk grafit) indeholder en fastelektrolytgrænseflade (SEI) film. Denne film dannes under den første opladning og afladning og er afgørende for batteriets korrekte funktion. SEI-filmen er dog ikke helt stabil. Under opbevaring, især ved forhøjede temperaturer, opløses filmen langsomt og dannes igen. Denne genopbygning forbruger litiumioner og elektrolyt, hvilket fører til kapacitetsforhold og spændringsfald. Dette er en af de primære årsager til selvdiskussion i litium-ion-batterier.

(2) Oxidation/reduktion af elektrolyt:

Katodematerialer (såsom lithiumcobaltoxid (LiCoO₂), lithiumnikkelcobaltmanganoxid (NCM) og lithiumjernfosfat (LiFePO₄)) udviser høj oxidationsaktivitet i den opladte tilstand. Opløsningsmidler (såsom ethylencarbonat (EC) og dimethylcarbonat (DMC)) og tilsætningsstoffer i elektrolytten gennemgår langsomme oxidative nedbrydningsreaktioner, når de udsættes for katodens høje potential i længere tid. På samme måde sker der på anodesiden, trods beskyttelsen fra SEI-filmen, spor af reduktive nedbrydningsreaktioner af elektrolytten. Disse redox-bisreaktioner forbruger aktive litiumioner, hvilket fører til kapacitetsforhold.

(3) Urenhedsreaktioner i aktive materialer : Spor af urenheder (såsom metalioner Fe, Cu, Zn osv.) i de aktive elektrodematerialer eller strømsamlerne kan danne små lokale kortslutninger mellem elektroder eller deltage i parasitiske reaktioner, hvilket forbruger ladning.

2. Intern mikrokortslutning (forårsaget af produktionsfejl eller aldring):

(1) Membranfejl: Små punkthuller, urenheder eller svage steder på membranen kan forårsage lille elektronledning (mikrokortslutning) mellem den positive og negative elektrode efter opladnings- og afladningscyklusser eller langtidslagring, hvilket direkte medfører opladningslækage. Dette er den primære årsag til unormalt høj selvudladning. Desuden, selvom membranen forhindrer elektronledning på makroniveau og kun tillader ioner at passere igennem, kan elektrodematerialet selv eller det ledende tilsætningsstofnetværk på mikroniveau danne en yderst svag elektronlækagesti gennem elektrolytten.

(2) Dendritpenetration: I batterier, der er overladet, ladet ved lave temperaturer, eller stærkt aldring, kan lithiummetal afsættes ujævnt på overfladen af den negative elektrode og derved danne dendriter. Skarpe dendriter kan gennembore separatoren, forbinde de positive og negative elektroder og forårsage en intern kortslutning.

(3) Metalstøv under produktionsprocessen: Hvis metalliske partikler, som opstår under produktionsprocessen (f.eks. ved skæring af elektroder), forbliver mellem elektroderne eller membranen, kan det også forårsage mikrokortslutninger. Absolut støvfri produktion er umulig. Når mængden af støv ikke er tilstrækkelig til at gennembore membranen og forårsage en kortslutning mellem de positive og negative elektroder, er effekten på batteriet ikke betydelig; men når støvforureningen er så alvorlig, at den gennemborer membranen, bliver konsekvenserne for batteriet meget betydelige.

3. Temperaturpåvirkning:

Temperatur er en af de mest kritiske faktorer. Højere temperaturer øger betydeligt hastigheden af alle kemiske reaktioner, der fører til selvudladning (SEI-hindeudvikling, elektrolytdekomponering, urenhedsreaktioner mv.), hvilket resulterer i en kraftig stigning i selvudladningshastigheden. Derfor bør langtidslagring af batterier foregå ved lave temperaturer (men undgå frysning).

4. Effekt af selvudladning:

Kapacitets tab: Den mest direkte indvirkning er en reduktion af den tilgængelige batterikapacitet.

Spændingsfald: Spændingen i åbent kredsløb falder med lagertiden.

Forøget slid: Sidereaktioner under selvudladning (som f.eks. fortsat vækst af SEI) forbruger aktivt lithium og elektrolyt, hvilket i sig selv er en aldringsmekanisme.

Sværheder ved at vurdere opladningstilstanden: Selvudladning gør det vanskeligt at nøjagtigt bestemme den resterende ladning udelukkende ud fra spænding.

Sikkerhedsrisici (ekstreme tilfælde): Unormalt høj selvudladning (f.eks. alvorlig intern mikrokortslutning) kan få batteritemperaturen til at stige og endda udløse termisk ubalance.

De primære modforanstaltninger mod selvudladning af batterier er følgende:

(1) Optimering af batteriets design og materialer: forbedre stabiliteten af SEI-membranen, udvikle elektrolytter med stærkere oxidationstab og højrenhedsmaterialer samt forbedre membrankvaliteten.

(2) Kontrol af opbevaringsbetingelser:

Temperatur: Det vigtigste! Prøv at opbevare batteriet ved lave temperature (f.eks. 10°C-25°C, undgå temperaturer under 0°C).

Ladestatus: Når du opbevarer batteriet i lang tid, skal du oplade det til en moderat ladestatus (f.eks. 40 %-60 %). En fuldt opladet tilstand vil fremskynde oxidationen af elektrolytten ved den positive elektrode, mens en helt tømt tilstand kan forårsage overudladningsskader på den negative elektrode.

(3) Regelæssig genoplading: For batterier, der har stået uanvendt i lang tid, bør spændingen/SOC kontrolleres regelmæssigt, og der bør udføres passende opladning (f.eks. opladning til 50 %), når strømniveauet er for lavt, for at undgå dyb udledning og beskadigelse af batteriet.

(4) Strikt kontrol med produktionsprocessen: reducerer urenheder og metalstøv for at sikre membranens kvalitet.

Lithium-ion batteri selvdiskussion skyldes primært indbyggede kemiske bivirkninger, såsom uholdbarheden af den negative elektrode SEI-film og den langsomme oxidation/reduktionsnedbrydning af elektrolytten på elektrodeoverfladen (især den positive elektrode). Interne mikrokortslutninger forårsaget af produktionsfejl (såsom separatorfejl og urenheder) kan føre til unormalt høje selvdiskussionsrater . Temperatur er den største ydre faktor, der påvirker selvdiskussionsrater . At forstå årsagerne til selvdiskussion kan hjælpe med at optimere batterianvendelse og lagringsstrategier og derved forlænge batterilevetiden.