Perché la capacità delle batterie agli ioni di litio diminuisce?

Batteria agli ioni di litio il decadimento della capacità si riferisce al fenomeno per cui le batterie agli ioni di litio perdono gradualmente la loro capacità disponibile nel tempo e con la vita della batteria. Qual è il meccanismo alla base del decadimento della capacità?

1. Variazione di volume

Durante il processo di carica e scarica della batteria, gli ioni di litio si inseriscono ed estraggono, causando l'espansione/contrazione dei reticoli dei materiali degli elettrodi positivo e negativo in misura variabile.

A. La microstruttura del materiale catodico cambia, causando una riduzione della quantità di litio inserita. In condizioni di sovraccarica, gli ioni di litio migrano rapidamente verso l'anodo, causando il collasso del reticolo catodico.

B. La variazione di volume del grafite dell'elettrodo negativo durante l'inserzione e l'estrazione ioni di litio può raggiungere il 10%, causando la stratificazione delle particelle.

2. Formazione del film SEI

Durante la fase di formazione della batteria, gli ioni di litio reagiscono chimicamente con determinati componenti dell'elettrolita durante il processo iniziale di carica e scarica, formando un'interfaccia solida irreversibile tra l'elettrodo negativo e l'elettrolita. Durante il processo di carica e scarica, l'SEI si rompe continuamente e si rigenera, causando una riduzione degli ioni di litio attivi, un aumento dello spessore del film SEI e un aumento della resistenza interna.

3. Crescita di dendriti di litio

In condizioni di bassa temperatura, carica rapida e sovraccarica, gli ioni di litio continuano a spostarsi verso l'elettrodo negativo. La velocità di estrazione degli ioni di litio è maggiore rispetto alla velocità di inserimento degli ioni di litio, causando il deposito degli ioni di litio vicino all'elettrodo negativo e una riduzione del litio attivo.

4. Decomposizione dell'elettrolita

La decomposizione dell'elettrolita avviene principalmente attraverso due vie: decomposizione elettrochimica e decomposizione chimica. La decomposizione elettrochimica si divide in decomposizione ossidativa sul lato dell'elettrodo positivo e decomposizione riduttiva sul lato dell'elettrodo negativo. La decomposizione ossidativa sul lato dell'elettrodo positivo avviene quando il potenziale dell'elettrodo positivo è >4,5 V, causando rigonfiamento della batteria e aumento dell'impedenza interfacce. La decomposizione riduttiva sul lato dell'elettrodo negativo avviene quando il potenziale dell'elettrodo negativo a base di grafite è <0,8 V, causando l'ispessimento dello strato SEI della batteria e la riduzione del litio attivo. La decomposizione chimica si divide in reazioni catalizzate da tracce d'acqua e reazioni di decomposizione ad alta temperatura. Le reazioni catalizzate da tracce d'acqua causano la corrosione dell'elettrodo positivo. Le reazioni di decomposizione ad alta temperatura causano l'essiccazione dell'elettrolita, portando a una tendenza alla fuga termica.

5. Corrosione del collettore di corrente

La corrosione del collettore di corrente è classificata come corrosione della foglia di alluminio dell'elettrodo positivo a potenziale elevato e corrosione della foglia di rame dell'elettrodo negativo a potenziale ridotto. Quando il potenziale dell'elettrodo positivo supera i 3,8 V, la foglia di alluminio dell'elettrodo positivo si ossida e corrode. In condizioni di sovraccarica, quando il potenziale dell'elettrodo negativo è inferiore a 3 V, la foglia di rame si dissolve, migra verso l'elettrodo positivo e si deposita sulla superficie dell'elettrodo positivo.

Si possono verificare anche malfunzionamenti degli agenti conduttivi e invecchiamento delle membrane.