Mengapa Bateri Litium-Ion Hilang Cas Secara Sendiri? Punca dan Cara Mengurangkannya

Pengecasan sendiri bateri litium-ion merujuk kepada penurunan semula jadi dalam cas/voltan apabila bateri tidak bersambung ke litar luar (iaitu, dalam keadaan litar terbuka) . Ini adalah ciri semula jadi semua bateri, walaupun pada tahap yang berbeza. Walaupun kadar pengecasan sendiri bateri litium-ion agak rendah, ia tetap berlaku. Punca utama boleh dikategorikan seperti berikut:

1. Tindak balas kimia sampingan yang tidak dapat dielakkan (pengecasan sendiri normal):

(1) Pertumbuhan dan larutan filem SEI:

Permukaan anod (biasanya grafit) mengandungi lapisan antara muka elektrolit pepejal (SEI). Lapisan ini terbentuk semasa cas dan nyahcas awal dan adalah penting bagi fungsi bateri yang betul. Walau bagaimanapun, lapisan SEI tidak sepenuhnya stabil. Semasa penyimpanan, terutamanya pada suhu yang tinggi, lapisan SEI perlahan-lahan larut dan terbentuk semula. Pembentukan semula ini menggunakan ion litium dan elektrolit, menyebabkan kehilangan kapasiti dan penurunan voltan. Ini merupakan salah satu punca utama pencejeraan sendiri dalam bateri litium-ion.

(2) Pengoksidaan/penurunan elektrolit:

Bahan katod (seperti litium kobalt oksida (LiCoO₂), litium nikel kobalt mangan oksida (NCM), dan litium besi fosfat (LiFePO₄)) menunjukkan aktiviti pengoksidaan yang tinggi dalam keadaan bercas. Pelarut (seperti etilena karbonat (EC) dan dimetil karbonat (DMC)) serta bahan tambah dalam elektrolit mengalami tindak balas perlahan penguraian pengoksidaan apabila terdedah kepada voltan tinggi katod untuk tempoh yang panjang. Sama seperti itu, di sisi anod, walaupun dilindungi oleh lapisan SEI, sejumlah kecil penguraian reduktif elektrolit mungkin berlaku. Tindak balas sampingan redoks ini menggunakan ion litium aktif, menyebabkan kehilangan kapasiti.

(3) Tindak balas bendasing dalam bahan aktif : Bendasing surih (seperti ion logam Fe, Cu, Zn, dll.) yang hadir dalam bahan aktif elektrod atau pengumpul semasa mungkin membentuk litar pintas tempatan yang sangat kecil antara elektrod atau mengambil bahagian dalam tindak balas parasit, menggunakan cas.

2. Litar pintas mikro dalaman (disebabkan oleh kecacatan pembuatan atau penuaan):

(1) Kecacatan diafragma: Lubang-lubang halus, bendasingan, atau tompok lemah pada diafragma boleh menyebabkan konduksi elektron yang kecil (litar pintas mikro) antara elektrod positif dan negatif selepas kitaran cas dan nyahcas atau penyimpanan jangka panjang, secara langsung menyebabkan kebocoran cas. Ini adalah punca utama kadar pendedahan sendiri yang tidak normal tinggi. Selain itu, walaupun diafragma menghalang konduksi elektron pada peringkat makro dan hanya membenarkan ion melaluinya, pada peringkat mikro, bahan elektrod itu sendiri atau rangkaian ejen pengalir boleh membentuk laluan kebocoran elektron yang sangat lemah melalui elektrolit.

(2) Penetrasi dendrit: Dalam bateri yang dicas lebih, dicas pada suhu rendah, atau telah uzur teruk, logam litium mungkin mendapan secara tidak sekata pada permukaan elektrod negatif, membentuk dendrit. Dendrit yang tajam boleh menembusi pemisah, menghubungkan elektrod positif dan negatif, dan menyebabkan litar pintas dalaman.

(3) Habuk logam semasa proses pembuatan: Jika habuk logam yang diperkenalkan semasa proses pengeluaran (seperti yang dihasilkan semasa memotong elektrod) kekal di antara elektrod atau diafragma, ia juga boleh menyebabkan litar pintas mikro. Pengeluaran tanpa habuk sepenuhnya adalah mustahil. Apabila habuk tersebut tidak cukup untuk menembusi diafragma dan menyebabkan litar pintas antara elektrod positif dan negatif, kesannya terhadap bateri tidak ketara; bagaimanapun, apabila habuk tersebut cukup teruk untuk menembusi diafragma, kesannya terhadap bateri akan menjadi sangat ketara.

3. Kesan suhu:

Suhu merupakan salah satu faktor paling kritikal . Suhu yang lebih tinggi secara ketara mempercepatkan kadar semua tindak balas kimia yang membawa kepada pelepasan kendiri (evolusi filem SEI, penguraian elektrolit, tindak balas bendasing, dll.), yang mengakibatkan peningkatan mendadak dalam kadar pelepasan kendiri. Oleh itu, penyimpanan bateri jangka panjang harus dilakukan pada suhu rendah (tetapi elakkan pembekuan).

4. Kesan pelepasan kendiri:

Kehilangan kapasiti: Kesan paling langsung ialah pengurangan kapasiti bateri yang tersedia.

Kekurangan voltan: Voltan litar terbuka berkurang dengan masa penyimpanan.

Penuaan dipercepatkan: Tindak balas sampingan semasa pelepasan sendiri (seperti pertumbuhan SEI yang berterusan) mengguna pakai litium aktif dan elektrolit, yang merupakan mekanisme penuaan itu sendiri.

Kesukaran dalam menganggar keadaan cas: Pelepasan sendiri menyukarkan penentuan cas baki secara tepat berdasarkan voltan sahaja.

Risiko keselamatan (kes ekstrem): Pelepasan sendiri yang tidak normal (seperti litar pintas mikro dalaman yang teruk) boleh menyebabkan suhu bateri meningkat dan malah mencetuskan lari haba.

Langkah penangkisan utama terhadap pelepasan sendiri bateri adalah seperti berikut:

(1) Mengoptimumkan rekabentuk dan bahan bateri: meningkatkan kestabilan membran SEI, membangunkan elektrolit dengan rintangan pengoksidaan yang lebih kuat dan bahan berkualiti tinggi, serta memperbaiki kualiti diafragma.

(2) Kawal keadaan penyimpanan:

Suhu: Perkara yang paling penting! Cuba simpan bateri pada suhu Rendah (contohnya 10°C-25°C, elakkan suhu di bawah 0°C).

Keadaan Casan: Apabila menyimpan bateri untuk jangka masa yang lama, cas hingga keadaan casan sederhana (contohnya, 40%-60%). Keadaan tercas penuh akan mempercepatkan pengoksidaan elektrolit oleh elektrod positif, manakala keadaan kosong sepenuhnya boleh menyebabkan kerosakan akibat over-discharge pada elektrod negatif.

(3) Pengecasan berkala: Bagi bateri yang telah tidak digunakan untuk jangka masa yang lama, voltan/SOC harus diperiksa secara berkala, dan pengecasan yang sesuai (seperti mengecas hingga 50%) perlu dilakukan apabila kuasa terlalu rendah bagi mengelakkan descas dalam dan kerosakan pada bateri.

(4) Kawalan ketat proses pengilangan: mengurangkan bendasing dan habuk logam untuk memastikan kualiti diafragma.

Bateri litium-ion pencasnian sendiri terutamanya disebabkan oleh tindak balas kimia sampingan asli, seperti ketidakstabilan filem SEI elektrod negatif dan penguraian oksidasi/penurunan perlahan elektrolit pada permukaan elektrod (terutamanya elektrod positif). Kors bocor dalaman yang disebabkan oleh kecacatan pengeluaran (seperti kecacatan pemisah dan bendasing) boleh menyebabkan kadar pencasnian sendiri yang tidak normal tinggi . Suhu merupakan faktor luaran terbesar yang mempengaruhi kadar pencasnian sendiri . Memahami punca pencasnian sendiri dapat membantu mengoptimumkan strategi penggunaan dan penyimpanan bateri, memperpanjang jangka hayat bateri.