Hvorfor aftager kapaciteten af lithium-ion-batterier?

Lithium-ion batteri kapacitetsnedgang refererer til fænomenet, hvor lithium-ion-batterier gradvist mister deres tilgængelige kapacitet over tid og med batteriets levetid. Hvad er mekanismen bag kapacitetsnedgang?

1. Volumenændring

Under batteriets opladnings- og afladningsproces indsættes og frigives lithiumioner, hvilket medfører, at gitterstrukturen i elektrodematerialerne ekspanderer/skrumper i varierende grad.

A. Katodematerialets mikrostruktur ændres, hvilket fører til en reduktion i mængden af indsat lithium. Ved overladning vil lithiumioner hurtigt migrere til anoden, hvilket får katodegitteret til at kollapse.

B. Volumenændringen af den negative elektrode (grafit) under indsættelse og frigivelse af lithiumioner kan nå op på 10 %, hvilket medfører partikelskælling.

2. Dannelse af SEI-film

Under dannelse af batteriet reagerer lithiumioner kemisk med visse elektrolytbestanddele under den første opladnings- og afladningsproces og danner et uforligneligt fast elektrolytinterface ved grænsefladen mellem den negative elektrode og elektrolytten. Under opladnings- og afladningsprocessen brydes SEI kontinuerligt ned og regenereres, hvilket resulterer i en reduktion af aktive lithiumioner, en forøgelse af SEI-filmens tykkelse og en stigning i modstanden.

3. Lithiumdendritvækst

Ved lave temperaturer, hurtig opladning og overladning bevæger lithiumioner sig fortsat mod den negative elektrode. Udtrækningshastigheden for lithiumioner er større end indlejringshastigheden for lithiumioner, hvilket fører til aflejring af lithiumioner nær den negative elektrode og en reduktion af aktive lithiumioner.

4. Elektrolytnedbrydning

Elektrolyt nedbrydning foregår primært gennem to veje: elektrokemisk nedbrydning og kemisk nedbrydning. Elektrokemisk nedbrydning deles op i oxidativ nedbrydning på den positive elektrodes side og reduktiv nedbrydning på den negative elektrodes side. Oxidativ nedbrydning på den positive elektrodes side sker, når den positive elektrodepotential er >4,5 V, hvilket medfører batteripop og øget interfacial impedans. Reduktiv nedbrydning på den negative elektrodes side sker, når grafitelektroden har et potential <0,8 V, hvilket får batteriets SEI til at blive tykkere og reducerer aktivt lithium. Kemisk nedbrydning deles op i sporvandskatalyserede reaktioner og højtemperaturnedbrydningsreaktioner. Sporvandskatalyserede reaktioner medfører korrosion af den positive elektrode. Højtemperaturnedbrydningsreaktioner får elektrolytten til at tørre ud, hvilket fører til en tilbøjelighed til termisk unødighed.

5. Korrosion af strømafbryder

Korrosion af strømopsamlere klassificeres som korrosion af den positive elektrode af aluminiumsfolie ved højt potential og korrosion af den negative elektrode af kobberfolie ved lavt potential. Når potentialet på den positive elektrode overstiger 3,8 V, oxiderer og korroderer aluminiumsfolien på den positive elektrode. Under overophældningsforhold, når potentialet på den negative elektrode er mindre end 3 V, opløses kobberfolien, migrerer til den positive elektrode og aflejres på overfladen af den positive elektrode.

Der er også fejl i ledende midler og ældning af diafragmaer.