Warum entladen sich Lithium-Ionen-Batterien von selbst? Ursachen und wie man sie reduzieren kann

Die Selbstentladung von Lithium-Ionen-Batterien bezieht sich auf den natürlichen Abfall der Ladung/Spannung, wenn die Batterie nicht mit einem externen Stromkreis verbunden ist (d. h. im Leerlaufzustand) . Dies ist eine inhärente Eigenschaft aller Batterien, wenn auch in unterschiedlichem Maße. Obwohl die Selbstentladungsrate von Lithium-Ionen-Batterien relativ gering ist, tritt sie dennoch auf. Die Hauptursachen lassen sich wie folgt kategorisieren:

1. Unvermeidbare chemische Nebenreaktionen (normale Selbstentladung):

(1) Wachstum und Auflösung des SEI-Films:

Die Oberfläche der Anode (normalerweise Graphit) enthält einen festen Elektrolyt-Interphasenfilm (SEI). Dieser Film bildet sich während der ersten Lade- und Entladevorgänge und ist entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion der Batterie. Der SEI-Film ist jedoch nicht vollständig stabil. Während der Lagerung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, löst sich der SEI-Film langsam auf und bildet sich erneut. Diese Neubildung verbraucht Lithiumionen und Elektrolyt, was zu Kapazitätsverlust und Spannungsabfall führt. Dies ist eine der Hauptursachen für die Selbstentladung von Lithium-Ionen-Batterien.

(2) Oxidation/Reduktion des Elektrolyten:

Kathodenmaterialien (wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM) und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄)) weisen im aufgeladenen Zustand eine hohe oxidative Aktivität auf. Lösungsmittel (wie Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC)) sowie Additive im Elektrolyten unterliegen langsamen oxidativen Zersetzungsreaktionen, wenn sie über längere Zeit dem hohen Potential der Kathode ausgesetzt sind. Ebenso kommt es auf der Anodenseite, trotz des Schutzes durch den SEI-Film, zu geringfügigen reduktiven Zersetzungen des Elektrolyten. Diese Redox-Nebenreaktionen verbrauchen aktive Lithiumionen und führen zu Kapazitätsverlust.

(3) Reaktionen von Verunreinigungen in aktiven Materialien : Spuren von Verunreinigungen (wie Metallionen Fe, Cu, Zn usw.) in den elektroaktiven Materialien oder in den Stromableitern können winzige lokale Kurzschlüsse zwischen den Elektroden erzeugen oder an parasitären Reaktionen teilnehmen und so Ladung verbrauchen.

2. Interne Mikrokurzschlüsse (verursacht durch Herstellungsfehler oder Alterung):

(1) Membranfehler: Kleine Poren, Verunreinigungen oder schwache Stellen auf der Membran können nach Lade- und Entladezyklen oder langer Lagerung eine geringe Elektronenleitung (Mikro-Kurzschluss) zwischen der positiven und negativen Elektrode verursachen, was direkt zu Ladungsverlust führt. Dies ist die Hauptursache für eine ungewöhnlich hohe Selbstentladung. Außerdem kann auf mikroskopischer Ebene das Elektrodenmaterial selbst oder das leitfähige Netzwerk über den Elektrolyten hinweg einen äußerst schwachen Elektronenleckstrom erzeugen, obwohl die Membran makroskopisch betrachtet die Elektronenleitung blockiert und nur Ionen durchlässt.

(2) Dendritenpenetration: Bei überladenen Batterien, bei niedrigen Temperaturen geladenen Batterien oder stark gealterten Batterien kann sich Lithiummetall ungleichmäßig auf der Oberfläche der Negativ-Elektrode ablagern und Dendriten bilden. Scharfe Dendriten können den Separator durchdringen, die positive und negative Elektrode verbinden und so einen internen Kurzschluss verursachen.

(3) Metallstaub während des Herstellungsprozesses: Wenn Metallstaub, der während des Produktionsprozesses entsteht (z. B. beim Schneiden von Elektroden), zwischen den Elektroden oder dem Trennfilm verbleibt, kann dies ebenfalls zu Mikrokurzschlüssen führen. Eine absolut staubfreie Produktion ist unmöglich. Solange der Staub nicht ausreicht, um den Trennfilm zu durchdringen und einen Kurzschluss zwischen positiver und negativer Elektrode zu verursachen, ist seine Auswirkung auf die Batterie nicht signifikant; wenn jedoch der Staub in ausreichendem Maße vorhanden ist, um den Trennfilm zu durchstoßen, sind die Auswirkungen auf die Batterie sehr erheblich.

3. Temperatureinfluss:

Die Temperatur ist einer der kritischsten faktoren. Höhere Temperaturen beschleunigen signifikant die Geschwindigkeit aller chemischen Reaktionen, die zur Selbstentladung führen (SEI-Schichtbildung, Elektrolytzerfall, Reaktionen mit Verunreinigungen usw.), was zu einer starken Zunahme der Selbstentladungsrate führt. Daher sollte die langfristige Lagerung von Batterien bei niedrigen Temperaturen erfolgen (jedoch ohne Einfrieren).

4. Auswirkungen der Selbstentladung:

Kapazitätsverlust: Die direkteste Auswirkung ist die Verringerung der verfügbaren Batteriekapazität.

Spannungsabfall: Die Leerlaufspannung nimmt mit der Lagerdauer ab.

Beschleunigte Alterung: Nebenreaktionen während der Selbstentladung (wie beispielsweise das fortgesetzte Wachstum der SEI-Schicht) verbrauchen aktives Lithium und Elektrolyt, was selbst ein Alterungsmechanismus ist.

Schwierigkeiten bei der Zustandsbestimmung der Ladung: Selbstentladung erschwert eine genaue Bestimmung der verbleibenden Ladung allein anhand der Spannung.

Sicherheitsrisiken (extreme Fälle): Eine ungewöhnlich hohe Selbstentladung (wie beispielsweise ein schwerer interner Mikrokurzschluss) kann dazu führen, dass die Batterietemperatur ansteigt und sogar thermisches Durchgehen auslöst.

Die wichtigsten Gegenmaßnahmen gegen die Selbstentladung von Batterien sind wie folgt:

(1) Optimierung des Batteriedesigns und der Materialien: stabilität der SEI-Schicht verbessern, Elektrolyte mit stärkerer Oxidationsbeständigkeit entwickeln, hochreine Materialien verwenden und die Qualität des Trennstoffs verbessern.

(2) Lagerbedingungen kontrollieren:

Temperatur: Das Wichtigste! Versuchen Sie, die Batterie bei niedrige Temperaturen (z. B. 10 °C–25 °C, Temperaturen unter 0 °C vermeiden).

Ladezustand: Wenn die Batterie längere Zeit gelagert wird, laden Sie sie auf einen mittleren Ladezustand (z. B. 40 %–60 %). Ein vollständig geladener Zustand beschleunigt die Oxidation des Elektrolyten durch die positive Elektrode, während ein vollständig entladener Zustand eine Tiefentladungsschädigung der negativen Elektrode verursachen kann.

(3) Regelmäßiges Nachladen: Bei Batterien, die längere Zeit nicht genutzt wurden, sollten Spannung/SOC regelmäßig überprüft werden, und es sollte entsprechend nachgeladen werden (z. B. auf 50 %), wenn der Ladezustand zu niedrig ist, um eine Tiefentladung und Beschädigung der Batterie zu vermeiden.

(4) Strenge Kontrolle des Herstellungsprozesses: verunreinigungen und Metallstaub reduzieren, um die Qualität der Membran sicherzustellen.

Lithium-Ionen-Batterie die Selbstentladung wird hauptsächlich durch inhärente chemische Nebenreaktionen verursacht, wie zum Beispiel die Instabilität des SEI-Films an der negativen Elektrode und die langsame Oxidations-/Reduktions-Zersetzung des Elektrolyten auf der Elektrodenoberfläche (insbesondere an der positiven Elektrode). Interne Mikrokurzschlüsse, verursacht durch Herstellungsfehler (wie Separatordefekte und Verunreinigungen), können zu abnormally hohen Selbstentladungsraten führen . Temperatur ist der größte externe Faktor, der die Selbstentladungsraten beeinflusst . Das Verständnis der Ursachen der Selbstentladung kann helfen, die Nutzung und Lagerstrategien von Batterien zu optimieren und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.