Dlaczego pojemność baterii litowo-jonowych ulega zmniejszeniu?

Akumulator litowo-jonowy zjawisko degradacji pojemności odnosi się do stopniowej utraty dostępnej pojemności akumulatorów litowo-jonowych wraz z upływem czasu i cyklami pracy. Jaki jest mechanizm degradacji pojemności?

1. Zmiana objętości

Podczas procesu ładowania i rozładowywania akumulatora jony litu wchodzą do elektrod i wychodzą z nich, powodując rozszerzanie się i kurczenie się sieci materiałowych elektrody dodatniej i ujemnej w różnym stopniu.

A. Mikrostruktura materiału katodowego ulega zmianie, co prowadzi do zmniejszenia ilości litu, który może się osadzić. W warunkach nadładowania jony litu szybko migrują do anody, powodując zapadnięcie się struktury katody.

B. Zmiana objętości grafitu elektrody ujemnej podczas wchodzenia i wychodzenia jonów litu jony litu może wynosić 10%, co prowadzi do warstwowego odspajania cząstek.

2. Powstawanie warstwy SEI

Podczas fazy formowania baterii, jony litu reagują chemicznie z niektórymi składnikami elektrolitu podczas pierwszego ładowania i rozładowania, tworząc nieodwracalną stałą warstwę elektrolitu (SEI) na granicy między elektrodą ujemną a elektrolitem. W trakcie procesu ładowania i rozładowania warstwa SEI ulega ciągłemu rozkładowi i regeneracji, co prowadzi do zmniejszenia się aktywnych jonów litu, wzrostu grubości filmu SEI oraz zwiększenia się oporu wewnętrznego.

3. Rosnące dendryty litu

W warunkach niskiej temperatury, szybkiego ładowania i przeciążenia, jony litu nadal przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej. Szybkość ekstrakcji jonów litu jest większa niż szybkość ich wstawiania, co prowadzi do osadzania się jonów litu w pobliżu elektrody ujemnej i zmniejszenia się liczby aktywnych jonów litu.

4. Rozkład elektrolitu

Rozkład elektrolitu zachodzi głównie na dwa sposoby: poprzez rozkład elektrochemiczny i chemiczny. Rozkład elektrochemiczny dzieli się na utleniający rozkład po stronie elektrody dodatniej i redukcyjny rozkład po stronie elektrody ujemnej. Rozkład utleniający po stronie elektrody dodatniej zachodzi, gdy potencjał elektrody dodatniej przekracza 4,5 V, co powoduje pęcznienie baterii oraz wzrost impedancji interfejsowej. Rozkład redukcyjny po stronie elektrody ujemnej zachodzi, gdy potencjał grafitowej elektrody ujemnej jest niższy niż 0,8 V, co prowadzi do zgrubienia warstwy SEI baterii i zmniejszenie ilości aktywnego litu. Rozkład chemiczny dzieli się na reakcje katalizowane przez śladowe ilości wody oraz reakcje rozkładu w wysokiej temperaturze. Reakcje katalizowane przez śladowe ilości wody powodują korozję elektrody dodatniej. Reakcje rozkładu w wysokiej temperaturze powodują wysychanie elektrolitu, co może prowadzić do rozbieżności termicznej.

5. Korozja kolektora prądu

Korozja zbieracza prądu jest podzielona na korozję folii aluminiowej elektrody dodatniej przy wysokim potencjale oraz korozję folii miedzianej elektrody ujemnej przy niskim potencjale. Gdy potencjał elektrody dodatniej przekracza 3,8 V, folia aluminiowa elektrody dodatniej ulega utlenieniu i korozji. W warunkach przetężenia, gdy potencjał elektrody ujemnej jest niższy niż 3 V, folia miedziana ulega rozpuszczeniu, migruje do elektrody dodatniej i osadza się na jej powierzchni.

Występują również uszkodzenia środków przewodzących oraz starzenie się separatorów.