Por que a capacidade das baterias de íon-lítio diminui?

Bateria de iões de lítio a degradação da capacidade refere-se ao fenômeno em que as baterias de íon-lítio perdem gradualmente sua capacidade disponível ao longo do tempo e do ciclo de vida. Qual é o mecanismo por trás da degradação da capacidade?

1. Alteração de volume

Durante o processo de carregamento e descarregamento da bateria, os íons de lítio se intercalam e se desintercalam, causando expansão/contração das estruturas dos materiais dos eletrodos positivo e negativo em diferentes graus.

A. A microestrutura do material catódico se altera, resultando na redução da quantidade de lítio intercalado. Em condições de supercarregamento, os íons de lítio migram rapidamente para o ânodo, causando o colapso da estrutura cristalina do cátodo.

B. A alteração de volume do grafite no eletrodo negativo durante a intercalação e desintercalação do íons de lítio íon lítio pode atingir 10%, resultando na estratificação das partículas.

2. Formação da camada SEI

Durante a fase de formação da bateria, íons de lítio reagem quimicamente com certos componentes do eletrólito durante o processo inicial de carga e descarga, formando uma interface de eletrólito sólido irreversível na interface entre o eletrodo negativo e o eletrólito. Durante o processo de carga e descarga, a SEI continuamente se degrada e se regenera, resultando na diminuição dos íons de lítio ativos, no aumento da espessura da película SEI e no aumento da resistência interna.

3. Crescimento de dendritas de lítio

Em condições de baixa temperatura, carregamento rápido e sobrecarga, os íons de lítio continuam a se mover em direção ao eletrodo negativo. A taxa de extração de íons de lítio é maior do que a taxa de inserção de íons de lítio, resultando na deposição de íons de lítio próximos ao eletrodo negativo e na redução do lítio ativo.

4. Decomposição do eletrólito

A decomposição do eletrólito ocorre principalmente por meio de dois caminhos: decomposição eletroquímica e decomposição química. A decomposição eletroquímica divide-se em decomposição oxidativa no lado do eletrodo positivo e decomposição redutiva no lado do eletrodo negativo. A decomposição oxidativa no lado do eletrodo positivo ocorre quando o potencial do eletrodo positivo é >4,5 V, causando inchaço da bateria e aumento da impedância interfacial. A decomposição redutiva no lado do eletrodo negativo ocorre quando o potencial do eletrodo negativo de grafite é <0,8 V, causando espessamento da camada SEI da bateria e redução do lítio ativo. A decomposição química divide-se em reações catalisadas por traços de água e reações de decomposição em altas temperaturas. Reações catalisadas por traços de água causam corrosão no eletrodo positivo. Reações de decomposição em altas temperaturas causam a secagem do eletrólito, levando à tendência de propagação térmica.

5. Corrosão do coletor de corrente

A corrosão do coletor de corrente é categorizada como corrosão da folha de alumínio do eletrodo positivo em alto potencial e corrosão da folha de cobre do eletrodo negativo em baixo potencial. Quando o potencial do eletrodo positivo excede 3,8 V, a folha de alumínio do eletrodo positivo se oxida e corrói. Em condições de sobrecarga, quando o potencial do eletrodo negativo é inferior a 3 V, a folha de cobre dissolve-se, migra para o eletrodo positivo e deposita-se na superfície do eletrodo positivo.

Também ocorrem falhas nos agentes condutores e envelhecimento das membranas.