Warum nimmt die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien ab?

Lithium-Ionen-Batterie kapazitätsabbau bezieht sich auf das Phänomen, bei dem Lithium-Ionen-Batterien mit der Zeit und im Laufe ihrer Lebensdauer allmählich ihre verfügbare Kapazität verlieren. Wie ist der Mechanismus des Kapazitätsabbaus?

1. Volumenänderung

Während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie lagern sich Lithium-Ionen ein und aus, wodurch die Gitter der positiven und negativen Elektrodenmaterialien in unterschiedlichem Maße expandieren bzw. kontrahieren.

A. Die Mikrostruktur des Kathodenmaterials verändert sich, was zu einem Rückgang der in die Struktur eingelagerten Lithiummenge führt. Bei Überladung migrieren Lithium-Ionen schnell zur Anode, wodurch das Gitter der Kathode instabil wird und kollabieren kann.

B. Die Volumenänderung des negativen Graphits während des Ein- und Ausschaltens lithium-Ionen kann bis zu 10 % betragen, was zu einer Schichtung der Partikel führt.

2. Bildung der SEI-Schicht

Während der Batterieformungsphase reagieren Lithium-Ionen chemisch mit bestimmten Bestandteilen des Elektrolyten während des ersten Lade- und Entladevorgangs und bilden eine irreversible feste Elektrolyt-Schnittstelle an der Grenzfläche zwischen negativer Elektrode und Elektrolyt. Während des Lade- und Entladevorgangs zerfällt die SEI kontinuierlich und regeneriert sich, was zu einem Rückgang der aktiven Lithium-Ionen, einer Zunahme der SEI-Schichtdicke und einem Anstieg des Innenwiderstands führt.

3. Wachstum von Lithiumdendriten

Unter Bedingungen niedriger Temperaturen, schnellen Ladens und Überladung bewegen sich Lithium-Ionen weiterhin zur negativen Elektrode hin. Die Rate der Lithiumionen-Extraktion ist größer als die Rate der Lithiumionen-Einbettung, was zur Ablagerung von Lithium-Ionen in der Nähe der negativen Elektrode und zu einem Rückgang der aktiven Lithium-Ionen führt.

4. Zersetzung des Elektrolyten

Elektrolyt-Zersetzung erfolgt hauptsächlich über zwei Wege: elektrochemische Zersetzung und chemische Zersetzung. Die elektrochemische Zersetzung unterteilt sich in oxidative Zersetzung auf der positiven Elektrodenseite und reductive Zersetzung auf der negativen Elektrodenseite. Die oxidative Zersetzung auf der positiven Elektrodenseite tritt auf, wenn das Potential der positiven Elektrode >4,5 V beträgt, was zu Batterieschwellung und erhöhter Übergangsimpedanz führt. Die reductive Zersetzung auf der negativen Elektrodenseite tritt auf, wenn das Potential der graphitbasierten negativen Elektrode <0,8 V ist, was dazu führt, dass die SEI-Schicht der Batterie dicker wird und aktives Lithium reduziert wird. Die chemische Zersetzung unterteilt sich in spurenweise wasserkatalysierte Reaktionen und hochtemperaturbedingte Zersetzungsreaktionen. Spurenweise wasserkatalysierte Reaktionen verursachen Korrosion der positiven Elektrode. Hochtemperaturbedingte Zersetzungsreaktionen führen dazu, dass der Elektrolyt austrocknet, was eine Neigung zu thermalem Durchgehen begünstigt.

5. Korrosion der Stromabnehmer

Die Korrosion des Stromsammlers wird eingeteilt in die Korrosion der Aluminiumfolie der positiven Elektrode bei hohem Potential und die Korrosion der Kupferfolie der negativen Elektrode bei niedrigem Potential. Wenn das Potential der positiven Elektrode 3,8 V überschreitet, oxidiert und korrodiert die Aluminiumfolie der positiven Elektrode. Bei Überladung, wenn das Potential der negativen Elektrode unter 3 V sinkt, löst sich die Kupferfolie auf, migriert zur positiven Elektrode und lagert sich auf deren Oberfläche ab.

Es treten ebenfalls Ausfälle der leitenden Additive und Alterung der Separatorfolien auf.