Waarom neemt de capaciteit van lithium-ionbatterijen af?

Lithium-ionbatterijen capaciteitsverval verwijst naar het fenomeen dat lithium-ionbatterijen met de tijd en levensduur geleidelijk aan hun beschikbare capaciteit verliezen. Wat is het mechanisme achter capaciteitsverval?

1. Volumeverandering

Tijdens het opladen en ontladen van de batterij treden lithiumionen in en uit, waardoor de roosters van de positieve en negatieve elektrodematerialen in verschillende mate uitzetten of samentrekken.

A. De microstructuur van het kathodemateriaal verandert, wat leidt tot een afname van de hoeveelheid ingevoegd lithium. Bij overladen migreren lithiumionen snel naar de anode, wat leidt tot het instorten van het kathoderooster.

B. De volumeverandering van de grafietnegatievelektrode tijdens het invoegen en verwijderen van lithiumionen kan oplopen tot 10%, wat leidt tot het afschilferen van deeltjes.

2. Vorming van SEI-laag

Tijdens de batterijvormingsfase reageren lithiumionen chemisch met bepaalde componenten van de elektrolyt tijdens het eerste laad- en ontlaadproces, waarbij een onomkeerbare vaste elektrolytinterface wordt gevormd aan het grensvlak tussen de negatieve elektrode en de elektrolyt. Tijdens het laad- en ontlaadproces breekt de SEI voortdurend af en herstelt zich, wat resulteert in een afname van actieve lithiumionen, een toename van de SEI-laagdikte en een toename van de inwendige weerstand.

3. Lithiumdendrietgroei

Bij lage temperatuur, snel laden en overladen, blijven lithiumionen naar de negatieve elektrode bewegen. De snelheid waarmee lithiumionen worden vrijgemaakt is groter dan de snelheid waarmee lithiumionen worden ingebed, wat leidt tot de afzetting van lithiumionen nabij de negatieve elektrode en een afname van actief lithium.

4. Elektrolytontleding

Elektrolytische decompositie vindt voornamelijk plaats via twee paden: elektrochemische decompositie en chemische decompositie. Elektrochemische decompositie is onderverdeeld in oxidatieve decompositie aan de positieve elektrodezijde en reductieve decompositie aan de negatieve elektrodezijde. Oxidatieve decompositie aan de positieve elektrodezijde treedt op wanneer het potentiaalniveau van de positieve elektrode >4,5 V is, wat leidt tot opzwellen van de accu en een toename van de interfaciale impedantie. Reductieve decompositie aan de negatieve elektrodezijde treedt op wanneer het potentiaalniveau van de grafietnegatieve elektrode <0,8 V is, wat leidt tot verdikking van de SEI-laag van de accu en verminderd actief lithium. Chemische decompositie is onderverdeeld in sporen water-gekatalyseerde reacties en hoge-temperatuur decompositiereacties. Sporen water-gekatalyseerde reacties veroorzaken corrosie van de positieve elektrode. Hoge-temperatuur decompositiereacties zorgen ervoor dat het elektrolyt opdroogt, wat leidt tot een neiging tot thermische doorbraak.

5. Corrosie van stroomcollectoren

Corrosie van de stroomafnemer wordt ingedeeld als corrosie van het aluminiumfolie van de positieve elektrode bij hoog potentieel en corrosie van het koperfolie van de negatieve elektrode bij laag potentieel. Wanneer het potentieel van de positieve elektrode 3,8 V overschrijdt, oxideert en corrodeert het aluminiumfolie van de positieve elektrode. Bij overlaadtoestanden, wanneer het potentieel van de negatieve elektrode lager is dan 3 V, lost het koperfolie op, migreert naar de positieve elektrode en deponeert op het oppervlak van de positieve elektrode.

Er is ook sprake van uitval van geleidende middelen en veroudering van membranen.