Hvorfor minker kapasiteten til litiumion-batterier?

Lithiumion-batteri kapasitetsnedgang refererer til fenomenet der lithiumionbatterier gradvis mister sin tilgjengelige kapasitet over tid og med batteriets levetid. Hva er mekanismen bak kapasitetsnedgang?

1. Volumendring

Under batteriets oppladnings- og utladningsprosess settes litiumioner inn i og ut av elektrodene, noe som fører til at gitterstrukturene i de positive og negative elektrodematerialene utvider og trekker seg sammen i varierende grad.

A. Mikrostrukturen i katodematerialet endres, noe som fører til en reduksjon i mengden litium som kan interkaleres. Under overoppladingsforhold migrerer litiumionene raskt til anoden, noe som fører til at katodegitteret kollapser.

B. Volumendringen i grafittanoden under innsetting og ekstrahering av lithiumioner kan nå opptil 10 %, noe som fører til partikkeloppdeling.

2. Dannelse av SEI-film

Under dannelse av batteriet reagerer litiumioner kjemisk med visse komponenter i elektrolytten under den første oppladnings- og utladningsprosessen, og danner et irreversibelt fast elektrolyttgrensesnitt ved grensesnittet mellom den negative elektroden og elektrolytten. Under oppladnings- og utladningsprosessen brytes SEI-kontinuerlig ned og regenereres, noe som fører til en reduksjon i aktive litiumioner, en økning i SEI-filmtykkelsen og en økning i indre motstand.

3. Vekst av litiumdendritter

Ved lave temperaturer, hurtiglading og overoppladning fortsetter litiumionene å bevege seg mot den negative elektroden. Utvinningshastigheten til litiumioner er større enn innarbeidingshastigheten til litiumioner, noe som fører til avsetning av litiumioner nær den negative elektroden og en reduksjon i aktivt litium.

4. Elektrolytt-nedbrytning

Elektrolytt nedbrytes hovedsakelig gjennom to veier: elektrokjemisk nedbrytning og kjemisk nedbrytning. Elektrokjemisk nedbrytning deles inn i oksidativ nedbrytning på den positive elektroden siden og reduktiv nedbrytning på den negative elektroden siden. Oksidativ nedbrytning på den positive elektroden siden skjer når den positive elektrodens potensial er >4,5 V, noe som fører til batterisvulm og økt overgangsimpedans. Reduktiv nedbrytning på den negative elektroden siden skjer når grafittanodens potensial er <0,8 V, noe som fører til at batteriets SEI blir tykkere og reduserer aktivt litium. Kjemisk nedbrytning deles inn i sporvann-katalyserede reaksjoner og høytemperatur nedbrytingsreaksjoner. Sporvann-katalyserede reaksjoner fører til korrosjon på den positive elektroden. Høytemperatur nedbrytingsreaksjoner fører til at elektrolytten tørr ut, noe som øker faren for termisk ubalanse.

5. Korrosjon på strømavtaker

Korrosjon på strømavtakeren er kategorisert som korrosjon av aluminiumsfolie på den positive elektroden ved høyt potensial og korrosjon av kobberfolie på den negative elektroden ved lavt potensial. Når potensialet på den positive elektroden overstiger 3,8 V, oksideres og korroderer aluminiumsfolien på den positive elektroden. Under overoppladingsforhold, når potensialet på den negative elektroden er mindre enn 3 V, løses kobberfolien opp, migrerer til den positive elektroden og setter seg på overflaten av den positive elektroden.

Det forekommer også feil på ledende agenter og tørring/aldring av separeringsskikt.