Hvorfor mister litium-ion-batterier ladning i hvile? Årsaker og hvordan redusere det

Selvutlading av lithium-ion-batterier refererer til den naturlige nedgangen i ladning/spenning når batteriet ikke er tilkoblet en ekstern krets (dvs. i en åpen kretstilstand) . Dette er en inneboende egenskap ved alle batterier, selv om i varierende grad. Selv om selvutladingsraten for lithium-ion-batterier er relativt lav, skjer den likevel. De viktigste årsakene kan kategoriseres som følger:

1. Uunngåelige kjemiske bivirkninger (normal selvutlading):

(1) Vekst og oppløsning av SEI-film:

Overflaten på anoden (vanligvis grafitt) inneholder en fast elektrolyttgrensesjikt (SEI)-film. Denne filmen dannes under den første oppladningen og utladningen, og er avgjørende for at batteriet skal fungere ordentlig. SEI-filmen er imidlertid ikke helt stabil. Under lagring, spesielt ved høye temperaturer, løser SEI-filmen seg langsomt opp og dannes på nytt. Denne gjenopprettelsen forbruker litiumioner og elektrolytt, noe som fører til kapasitetsforløp og spenningsfall. Dette er en av de viktigste årsakene til selvutladning i litium-ion-batterier.

(2) Oksidasjon/reduksjon av elektrolytt:

Katodematerialer (som litiumkoboltoksid (LiCoO₂), litiumnikkelkoboltmanganoksid (NCM) og litiumjernfosfat (LiFePO₄)) viser høy oksidativ aktivitet i ladet tilstand. Løsemidler (som etylencarbonat (EC) og dimetylcarbonat (DMC)) og additiver i elektrolytten gjennomgår langsomme oksidative nedbrytningsreaksjoner når de utsettes for katodens høye potensial over lengre tid. Tilsvarende skjer, på anodesiden, selv om SEI-filmen gir beskyttelse, spor av reductive nedbrytning av elektrolytten. Disse redoks-bivirkningene forbruker aktive litiumioner, noe som fører til kapasitets-tap.

(3) Urenhetsreaksjoner i aktive materialer : Spor av urenheter (som metallioner Fe, Cu, Zn, osv.) i elektrodematerialene eller strømsamlerne kan danne små lokale kortslutninger mellom elektroder eller delta seg i parasittiske reaksjoner, og dermed forbruke ladning.

2. Intern mikrokortslutning (forårsaket av produksjonsfeil eller aldring):

(1) Membranfeil: Små punkthull, urenheter eller svake steder på membranen kan forårsake liten elektronledning (mikrokortslutning) mellom de positive og negative elektrodene etter oppladnings- og utladningssykluser eller langtidslagring, noe som direkte fører til ladelakkasje. Dette er den viktigste årsaken til unormalt høy selvutlading. I tillegg kan selv om membranen hindrer elektronledning på makronivå og kun tillater ioner å passere igjennom, kan elektrodematerialet selv eller det ledende midlernettverket på mikronivå danne en ekstremt svak elektronlekkasjesti gjennom elektrolytten.

(2) Vekst av krystaller (dendritter): I batterier som er overladet, ladet ved lave temperaturer, eller sterkt aldring, kan metallisk litium avsettes ujevnt på overflaten til den negative elektroden og danne krystaller (dendritter). Skarpe krystaller kan trenge gjennom separatoren, koble den positive og negative elektroden, og forårsake en intern kortslutning.

(3) Metallstøv under produksjonsprosessen: Hvis metallstøv som kommer inn under produksjonsprosessen (for eksempel støv som dannes ved kutting av elektroder) forblir mellom elektrodene eller mellomlegget, kan det også forårsake mikrokortslutninger. Absolutt støvfri produksjon er umulig. Når mengden støv ikke er stor nok til å gjennombore mellomlegget og forårsake kortslutning mellom den positive og den negative elektroden, er effekten på batteriet ikke betydelig; men når støvmengden er så alvorlig at den gjennomborer mellomlegget, vil effekten på batteriet være svært betydelig.

3. Temperaturvirkning:

Temperatur er en av de mest kritiske faktorene. Høyere temperaturer akselererer betydelig hastigheten på alle kjemiske reaksjoner som fører til selvutladning (SEI-filmevolusjon, elektrolytt-nedbrytning, urenhetsreaksjoner, osv.), noe som fører til en kraftig økning i selvutladningshastigheten. Derfor bør langtidslagring av batterier foregå ved lave temperaturer (men unngå frysing).

4. Virkning av selvutladning:

Kapasitets-tap: Den mest direkte innvirkningen er reduksjon av tilgjengelig batterikapasitet.

Spenningsfall: Ledningsfri spenning avtar med lagringstiden.

Akselerert aldring: Sidereaksjoner under selvdiskasjon (for eksempel fortsettet vekst av SEI) forbruker aktivt litium og elektrolytt, noe som i seg selv er en aldringsmekanisme.

Vanskeligheter med å estimere ladestatus: Selvdiskasjon gjør det vanskelig å nøyaktig bestemme gjenværende ladning basert kun på spenning.

Sikkerhetsrisiko (i ekstreme tilfeller): Unormalt høy selvdiskasjon (for eksempel alvorlig intern mikrokortslutning) kan føre til at batteritemperaturen stiger og til og med utløse termisk uekte.

De viktigste mottiltakene mot selvdiskasjon av batteri er som følger:

(1) Optimalisering av batteridesign og materialer: forbedre stabiliteten til SEI-membranen, utvikle elektrolytter med bedre oksidasjonsmotstand og høyrensete materialer, og forbedre kvaliteten på diafragmaet.

(2) Kontroller lagringsbetingelser:

Temperatur: Det viktigste! Prøv å lagre batteriet ved lave Temperaturer (f.eks. 10°C–25°C, unngå temperaturer under 0°C).

Ladestand: Når du lagrer batteriet over lang tid, lad det til en moderat ladestand (f.eks. 40–60 %). En fulladdert tilstand vil akselerere oksidasjon av elektrolytten ved den positive elektroden, mens en helt tømt tilstand kan føre til overutladningsskade på den negative elektroden.

(3) Periodisk gjenopplading: For batterier som har stått i ro over lengre tid, bør spenningen/ladestanden (SOC) sjekkes regelmessig, og passende opplading (f.eks. opp til 50 %) bør utføres når strømnivået er for lavt, for å unngå dyp utladning og skade på batteriet.

(4) Streng kontroll av produksjonsprosessen: redusere urenheter og metallsøppel for å sikre kvaliteten på separatoren.

Lithiumion-batteri selvutladning skyldes først og fremst innebygde kjemiske bivirkninger, for eksempel ustabilitet i SEI-filmen på negativ elektrode og den langsomme oksidasjon/reduksjonsnedbrytningen av elektrolytten på elektrodeoverflaten (spesielt den positive elektroden). Interne mikrokortslutninger forårsaket av produksjonsfeil (for eksempel feil i separatoren og urenheter) kan føre til unormalt høy selvutladningsrate . Temperatur er den største ytre faktoren som påvirker selvutladningsrater . Å forstå årsakene til selvutladning kan hjelpe til med å optimere batteribruk og lagringsstrategier, og dermed forlenge batterilevetiden.