Miért csökken a lítium-ion akkumulátorok kapacitása?

Lítium-ion akkumulátor a kapacitásfogyás azt jelenti, hogy a lítium-ion akkumulátorok idővel és az akkumulátor élettartama során fokozatosan veszítenek elérhető kapacitásukból. Mi a kapacitásfogyás mechanizmusa?

1. Térfogatváltozás

Az akkumulátor töltési és kisütési folyamata során a lítiumionok be- és kiáramlanak, ennek következtében a pozitív és negatív elektródanyagok kristályrácsai különböző mértékben tágulnak illetve összehúzódnak.

A. A katódanyag mikroszerkezete megváltozik, aminek eredményeként csökken a beépülő lítium mennyisége. Túltöltési körülmények között a lítiumionok gyorsan az anód felé vándorolnak, ami a katód kristályrácsának összeomlását okozza.

B. A negatód elektródagrafit térfogatváltozása a lítiumionok be- és kiáramlása során lítiumionok elérheti a 10%-ot, ami részecskerétegződést okozhat.

2. SEI-film képződése

A kialakulási fázis alatt a lítiumionok kémiai reakcióba lépnek az elektrolit bizonyos komponenseivel az első töltési és kisütési folyamat során, létrehozva egy visszafordíthatatlan szilárd elektrolit határfelületet a negatív elektród és az elektrolit közötti határfelületen. A töltési és kisütési folyamat során az SEI folyamatosan lebomlik és regenerálódik, ami a aktív lítiumionok csökkenéséhez, az SEI réteg vastagságának növekedéséhez és a belső ellenállás megnövekedéséhez vezet.

3. Lítium dendritnövekedés

Alacsony hőmérsékleten, gyorstöltés és túltöltés körülményei között a lítiumionok továbbra is a negatív elektród felé mozognak. A lítiumionok kiválásának sebessége nagyobb, mint a lítiumionok beágyazódásának sebessége, ennek következtében a lítiumionok a negatív elektród közelében lerakódnak, és csökken az aktív lítium mennyisége.

4. Elektrolit lebomlás

Az elektrolit bomlása elsősorban két útvonalon megy végbe: elektrokémiai és kémiai bomlás révén. Az elektrokémiai bomlás oxidatív bomlásra és reduktív bomlásra oszlik. Az oxidatív bomlás a pozitív elektród oldalon következik be, amikor a pozitív elektród potenciálja >4,5 V, ami a cella megduzzadását és az interfacialis impedancia növekedését okozza. A reduktív bomlás a negatív elektród oldalon történik, amikor a grafit negatív elektród potenciálja <0,8 V, ami a SEI-réteg vastagodását és a lítium aktív részének csökkenését okozza. A kémiai bomlás a nyomokban lévő víz által katalizált reakciókra és magas hőmérsékleten végbemenő bomlási reakciókra oszlik. A nyomokban lévő víz által katalizált reakciók a pozitív elektród korrózióját okozzák. A magas hőmérsékleten végbemenő bomlási reakciók az elektrolit kiszáradásához vezetnek, ami a termikus visszafutás veszélyének növekedéséhez kapcsolódik.

5. Áramszedők korróziója

A ramenerozsda a pozitív elektródához tartozó alumíniumfólia korróziójaként magas potenciálon, illetve a negatív elektródához tartozó rézfólia korróziójaként alacsony potenciálon jelentkezik. Amikor a pozitív elektróda potenciálja meghaladja a 3,8 V-ot, a pozitív elektróda alumíniumfóliája oxidálódik és korrózió sérül. Túltöltési körülmények között, amikor a negatív elektróda potenciálja 3 V alá csökken, a rézfólia feloldódik, a pozitív elektródára vándorol, és ott lerakódik.

Ezen kívül a vezetőképes anyagok meghibásodása és a diafragma öregedése is előfordulhat.