Γιατί μειώνεται η χωρητικότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου;

Μπαταρία ιόντων λιθίου η μείωση της χωρητικότητας αναφέρεται στο φαινόμενο κατά το οποίο οι μπαταρίες ιόντων λιθίου σταδιακά χάνουν τη διαθέσιμη χωρητικότητά τους με την πάροδο του χρόνου και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Ποια είναι η μηχανισμός της μείωσης της χωρητικότητας;

1. Μεταβολή όγκου

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας, τα ιόντα λιθίου ενσωματώνονται και απομακρύνονται, προκαλώντας τα πλέγματα των υλικών της θετικής και αρνητικής ηλεκτροδίου να διαστέλλονται/συστέλλονται σε διαφορετικό βαθμό.

A. Η μικροδομή του υλικού της καθοδικής πλευράς μεταβάλλεται, με αποτέλεσμα τη μείωση της ποσότητας λιθίου που εισάγεται. Υπό συνθήκες υπερφόρτισης, τα ιόντα λιθίου μεταναστεύουν γρήγορα προς την άνοδο, προκαλώντας την κατάρρευση του καθοδικού πλέγματος.

B. Η μεταβολή του όγκου της γραφίτης του αρνητικού ηλεκτροδίου κατά την εισαγωγή και εξαγωγή ιόντα λιθίου μπορεί να φτάσει το 10%, με αποτέλεσμα τη στρωματοποίηση των σωματιδίων.

2. Δημιουργία φιλμ SEI

Κατά τη διάρκεια της φάσης σχηματισμού της μπαταρίας, τα ιόντα λιθίου αντιδρούν χημικά με ορισμένα συστατικά του ηλεκτρολύτη κατά τη διαδικασία της αρχικής φόρτισης και εκφόρτισης, δημιουργώντας ένα μη αναστρέψιμο στέρεο ηλεκτρολυτικό διεπαφή στη διεπαφή μεταξύ της αρνητικής ηλεκτροδόδου και του ηλεκτρολύτη. Κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, το SEI συνεχώς καταστρέφεται και αναγεννάται, με αποτέλεσμα τη μείωση των ενεργών ιόντων λιθίου, την αύξηση του πάχους της μεμβράνης SEI και την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης.

3. Ανάπτυξη ακεραίων λιθίου

Σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, γρήγορης φόρτισης και υπερφόρτισης, τα ιόντα λιθίου συνεχίζουν να μετακινούνται προς την αρνητική ηλεκτρόδιο. Ο ρυθμός εκχύλισης των ιόντων λιθίου είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό ενσωμάτωσης των ιόντων λιθίου, με αποτέλεσμα την κατακρήμνιση των ιόντων λιθίου κοντά στην αρνητική ηλεκτρόδιο και τη μείωση των ενεργών ιόντων λιθίου.

4. Διάσπαση ηλεκτρολύτη

Η διάσπαση του ηλεκτρολύτη πραγματοποιείται κυρίως μέσω δύο διαδρομών: ηλεκτροχημική διάσπαση και χημική διάσπαση. Η ηλεκτροχημική διάσπαση χωρίζεται σε οξειδωτική διάσπαση στην πλευρά της θετικής ηλεκτροδότησης και αναγωγική διάσπαση στην πλευρά της αρνητικής ηλεκτροδότησης. Η οξειδωτική διάσπαση στην πλευρά της θετικής ηλεκτροδότησης συμβαίνει όταν το δυναμικό της θετικής ηλεκτροδότησης είναι >4,5 V, προκαλώντας φούσκωμα της μπαταρίας και αύξηση της επιφανειακής αντίστασης. Η αναγωγική διάσπαση στην πλευρά της αρνητικής ηλεκτροδότησης συμβαίνει όταν το δυναμικό της αρνητικής ηλεκτροδότησης γραφίτη είναι <0,8 V, προκαλώντας πάχυνση του SEI της μπαταρίας και μείωση του ενεργού λιθίου. Η χημική διάσπαση χωρίζεται σε αντιδράσεις που καταλύονται από ίχνη νερού και αντιδράσεις διάσπασης σε υψηλή θερμοκρασία. Οι αντιδράσεις που καταλύονται από ίχνη νερού προκαλούν διάβρωση της θετικής ηλεκτροδότησης. Οι αντιδράσεις διάσπασης σε υψηλή θερμοκρασία προκαλούν την εξάτμιση του ηλεκτρολύτη, οδηγώντας σε τάση προς θερμική αποσταθεροποίηση.

5. Διάβρωση συλλέκτη ρεύματος

Η διάβρωση του συλλέκτη ρεύματος κατηγοριοποιείται ως διάβρωση του αλουμινένιου φύλλου της θετικής ηλεκτροδιαφάνειας σε υψηλό δυναμικό και διάβρωση του χάλκινου φύλλου της αρνητικής ηλεκτροδιαφάνειας σε χαμηλό δυναμικό. Όταν το δυναμικό της θετικής ηλεκτροδιαφάνειας υπερβαίνει τα 3,8 V, το αλουμινένιο φύλλο της θετικής ηλεκτροδιαφάνειας οξειδώνεται και διαβρώνεται. Υπό συνθήκες υπερφόρτωσης, όταν το δυναμικό της αρνητικής ηλεκτροδιαφάνειας είναι μικρότερο από 3 V, το χάλκινο φύλλο διαλύεται, μεταναστεύει προς τη θετική ηλεκτροδιαφάνεια και κατακάθεται στην επιφάνεια της θετικής ηλεκτροδιαφάνειας.

Υπάρχουν επίσης αποτυχία των ηλεκτροφόρων παραγόντων και γήρανση των διαφραγμάτων.