چرا ظرفیت باتری‌های لیتیوم-یون کاهش می‌یابد؟

باتری لیتیوم یون کاهش ظرفیت به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که در آن باتری‌های لیتیوم-یونی به تدریج در طول زمان و عمر باتری، ظرفیت قابل استفاده خود را از دست می‌دهند. مکانیسم کاهش ظرفیت چیست؟

1. تغییر حجم

در طول فرآیند شارژ و دشارژ باتری، یون‌های لیتیوم به داخل و خارج از الکترودها حرکت می‌کنند و باعث انبساط یا انقباض متفاوت شبکه مواد الکترود مثبت و منفی می‌شوند.

الف. ساختار ریز الکترود مثبت تغییر می‌کند و منجر به کاهش مقدار لیتیوم جاسازی شده می‌گردد. در شرایط شارژ بیش از حد، یون‌های لیتیوم به سرعت به الکترود منفی مهاجرت می‌کنند و باعث فروپاشی شبکه الکترود مثبت می‌شوند.

ب. تغییر حجم گرافیت الکترود منفی در زمان جا زدن و خارج شدن لیتیوم یون‌های لیتیوم می‌تواند به 10% برسد و منجر به لایه‌لایه شدن ذرات گردد.

2. تشکیل فیلم SEI

در مرحله تشکیل باتری، یون‌های لیتیوم در طی فرآیند شارژ و دشارژ اولیه به‌صورت شیمیایی با برخی اجزای الکترولیت واکنش نشان می‌دهند و در فصل مشترک بین الکترود منفی و الکترولیت یک لایه رسانای جامد (SEI) تشکیل می‌شود که این لایه غیرقابل برگشت است. در طی فرآیند شارژ و دشارژ، لایه SEI به‌طور مداوم تخریب و دوباره ساخته می‌شود که منجر به کاهش یون‌های لیتیوم فعال، افزایش ضخامت فیلم SEI و افزایش مقاومت داخلی می‌گردد.

۳. رشد دندریت لیتیوم

در شرایط دمای پایین، شارژ سریع و شارژ بیش از حد، یون‌های لیتیوم به حرکت خود به سمت الکترود منفی ادامه می‌دهند. میزان استخراج یون لیتیوم بیشتر از میزان جاسازی آن است که منجر به رسوب یون‌های لیتیوم در نزدیکی الکترود منفی و کاهش یون‌های لیتیوم فعال می‌شود.

۴. تجزیه الکترولیت

تحلیل الکترولیت عمدتاً از طریق دو مسیر انجام می‌شود: تجزیه الکتروشیمیایی و تجزیه شیمیایی. تجزیه الکتروشیمیایی به تجزیه اکسیداتیو در سمت الکترود مثبت و تجزیه احیایی در سمت الکترود منفی تقسیم می‌شود. تجزیه اکسیداتیو در سمت الکترود مثبت زمانی رخ می‌دهد که پتانسیل الکترود مثبت بیشتر از 4.5 ولت باشد و منجر به متورم شدن باتری و افزایش امپدانس بین‌وجهی می‌گردد. تجزیه احیایی در سمت الکترود منفی زمانی اتفاق می‌افتد که پتانسیل الکترود منفی گرافیتی کمتر از 0.8 ولت باشد و باعث ضخیم‌تر شدن لایه SEI باتری و کاهش لیتیوم فعال می‌گردد. تجزیه شیمیایی نیز به واکنش‌های کاتالیز شده با آب باقی‌مانده و واکنش‌های تجزیه‌ای در دمای بالا تقسیم می‌شود. واکنش‌های کاتالیز شده با آب باقی‌مانده منجر به خوردگی الکترود مثبت می‌گردد. واکنش‌های تجزیه‌ای در دمای بالا باعث خشک شدن الکترولیت و تمایل به گرماگیری بی‌رویه می‌شوند.

5. خوردگی جمع‌کننده جریان

خوردگی جمع‌کننده جریان به عنوان خوردگی فویل آلومینیومی الکترود مثبت در پتانسیل بالا و خوردگی فویل مسی الکترود منفی در پتانسیل پایین طبقه‌بندی می‌شود. وقتی پتانسیل الکترود مثبت از 3.8 ولت بیشتر شود، فویل آلومینیومی مثبت اکسیده و خورده می‌شود. در شرایط شارژ بیش از حد، وقتی پتانسیل الکترود منفی کمتر از 3 ولت باشد، فویل مس حل شده، به الکترود مثبت مهاجرت کرده و روی سطح الکترود مثبت رسوب می‌کند.

همچنین شکست عوامل هادی و پیری دیافراگم‌ها وجود دارد.