Miksi litiumioniakkujen kapasiteetti vähenee?

Litiumioniakun kapasiteetin heikkeneminen tarkoittaa ilmiötä, jossa litiumparistin akut menettävät vähitellen käytettävissä olevaa kapasiteettiaan ajan kuluessa ja akun elinkaaren myötä. Mikä on kapasiteetin heikkenemisen mekanismi?

1. Tilavuuden muutos

Akun latauksen ja purkamisen prosessissa litiyionit upottuvat ja irtoavat, mikä aiheuttaa positiivisen ja negatiivisen elektrodin materiaalien hilan laajenemista/supistumista eri määrin.

A. Katoodimateriaalin mikrorakenne muuttuu, mikä johtaa litiumin upotuskapasiteetin laskuun. Ylikuormitustilanteessa litiumionit siirtyvät nopeasti anodiin, mikä aiheuttaa katoodihilan romahtamisen.

B. Negatiivisen elektrodin grafiitin tilavuuden muutos litiumionien upotuksessa ja poistossa litiumionit voi olla jopa 10 %, mikä johtaa hiukkasten kerrostumiseen.

2. SEI-kalvon muodostuminen

Akun muodostusvaiheen aikana litiumionit reagoivat kemiallisesti elektrolyytin tiettyjen komponenttien kanssa ensimmäisen varauksen ja purkauksen prosessissa, muodostaen palautumattoman kiinteän elektrolyyttikalvon negatiivisen elektrodin ja elektrolyytin välille. Varauksen ja purkauksen aikana SEI hajoaa ja uudistuu jatkuvasti, mikä johtaa aktiivisten litiumionien määrän vähenemiseen, SEI-kalvon paksuuden kasvuun ja sisäisen vastuksen lisääntymiseen.

3. Litiumhaarakasvu

Alhaisessa lämpötilassa, nopeassa latauksessa ja ylilatauksen olosuhteissa litiumionit jatkavat liikettään kohti negatiivista elektrodia. Litiumionien poistumisnopeus on suurempi kuin litiumionien upottamisnopeus, mikä johtaa litiumionien kerääntymiseen negatiivisen elektrodin läheisyyteen ja aktiivisen litiumin määrän vähenemiseen.

4. Elektrolyytin hajoaminen

Elektrolyytin hajoaminen tapahtuu pääasiassa kahdella tavalla: sähkökemiallisella hajoamisella ja kemiallisella hajoamisella. Sähkökemiallinen hajoaminen jakautuu hapetukselliseen hajoamiseen positiivisen elektrodin puolella ja pelkistävään hajoamiseen negatiivisen elektrodin puolella. Hapetuksellinen hajoaminen positiivisen elektrodin puolella tapahtuu, kun positiivisen elektrodin potentiaali on >4,5 V, mikä aiheuttaa akun turpoamista ja rajapinnan impedanssin kasvu. Pelkistävä hajoaminen negatiivisen elektrodin puolella tapahtuu, kun grafiittielektrodin negatiivinen potentiaali on <0,8 V, mikä johtaa akun SEI:n paksuuntumiseen ja aktiivisen litiumin vähenemiseen. Kemiallinen hajoaminen jakautuu jälkivedellä katalysoituun reaktioon ja korkeassa lämpötilassa tapahtuvaan hajoamisreaktioon. Jälkivedellä katalysoituneet reaktiot aiheuttavat positiivisen elektrodin korroosiota. Korkeassa lämpötilassa tapahtuvat hajoamisreaktiot aiheuttavat elektrolyytin kuivumista, mikä johtaa termisen hallinnan menettämiseen.

5. Virrankeruupinnan korroosio

Keruulevyn korroosiota pidetään positiivisen elektrodin alumiinifoliota korkeassa potentiaalissa ja negatiivisen elektrodin kuparifoliota matalassa potentiaalissa. Kun positiivisen elektrodin potentiaali ylittää 3,8 V, positiivinen elektrodi alumiinifoliota hapetetaan ja se korrodoituu. Ylikuormitustilanteessa, kun negatiivisen elektrodin potentiaali on alle 3 V, kuparifoliota liukenee, siirtyy positiiviseen elektrodiin ja laskeutuu sen pinnalle.

Myös johtavien aineiden toiminta voi epäonnistua ja kalvojen ikääntyminen on mahdollista.