De ce se descarcă autonom bateriile de litiu-ion? Cauze și cum să le previi

Descărcarea automată a bateriilor de tip litiu-ion se referă la scăderea naturală a sarcinii/tensiunii atunci când bateria nu este conectată la un circuit extern (adică, în stare de circuit deschis) . Aceasta este o caracteristică intrinsecă tuturor bateriilor, deși în grade diferite. Deși rata de descărcare automată a bateriilor de tip litiu-ion este relativ scăzută, acest fenomen tot apare. Cauzele principale pot fi clasificate după cum urmează:

1. Reacții chimice secundare inevitabile (descărcare automată normală):

(1) Formarea și dizolvarea filmului SEI:

Suprafața anodului (de obicei din grafit) conține un strat de interfață solid-electrolit (SEI). Acest strat se formează în timpul primului ciclu de încărcare și descărcare și este esențial pentru funcționarea corectă a bateriei. Cu toate acestea, stratul SEI nu este complet stabil. În timpul stocării, mai ales la temperaturi ridicate, stratul SEI se dizolvă și se reface treptat. Această re-formare consumă ioni de litiu și electrolit, ceea ce duce la pierderea capacității și la scăderea tensiunii. Aceasta este una dintre principalele cauze ale autodescărcării bateriilor cu ion de litiu.

(2) Oxidarea/reducerea electrolitului:

Materialele catodice (cum ar fi oxidul de litiu și cobalt (LiCoO₂), oxidul de litiu, nichel, cobalt și mangan (NCM) și fosfatul de litiu și fier (LiFePO₄)) prezintă o activitate oxidativă ridicată în starea încărcată. Solvenții (cum ar fi carbonatul de etilenă (EC) și carbonatul de dimetil (DMC)) și aditivii din electrolit suferă reacții lente de descompunere oxidativă atunci când sunt expuși timp îndelungat la potențialul ridicat al catodului. În mod similar, pe partea anodului, în ciuda protecției oferite de filmul SEI, pot avea loc cantități minime de descompunere reductivă a electrolitului. Aceste reacții secundare redox consumă ioni de litiu activi, ceea ce duce la pierderea capacității.

(3) Reacții ale impurităților din materialele active : Impuritățile minore (cum ar fi ioni metalici Fe, Cu, Zn etc.) prezenți în materialele active ale electrozilor sau în colectorii de curent pot forma micropuncte de scurtcircuit între electrozi sau pot participa la reacții parazite, consumând sarcina.

2. Scurtcircuit intern micro (cauzat de defecte de fabricație sau îmbătrânire):

(1) Defecte ale diafragmei: Orificii minuscule, impurități sau puncte slabe pe diafragma pot provoca o conductivitate electronică redusă (micro-scurt circuit) între electrozii pozitivi și negativi după cicluri de încărcare și descărcare sau stocare pe termen lung, determinând direct scurgerea sarcinii electrice. Aceasta este cauza principală a autodescărcării anormal de mari. În plus, deși diafragma previne conductivitatea electronică la nivel macroscopic și permite doar trecerea ionilor, la nivel microscopic materialul electrodului în sine sau rețeaua agentului conductor pot forma o cale extrem de slabă de scurgere electronică prin electrolit.

(2) Pătrunderea dendritelor: În bateriile suprancărcate, încărcate la temperaturi scăzute sau puternic învechite, litiul metalic se poate depune neuniform pe suprafața electrodului negativ, formând dendrite. Dendritele ascuțite pot pătrunde prin separator, conectând electrozii pozitiv și negativ și provocând un scurtcircuit intern.

(3) Praful metalic generat în timpul procesului de fabricație: Dacă praful metalic introdus în timpul procesului de producție (precum cel generat la tăierea electrozilor) rămâne între electrozi sau diafragmă, poate provoca, de asemenea, scurtcircuite microscopice. Producția complet fără praf nu este posibilă. Atunci când cantitatea de praf nu este suficientă pentru a străpunge diafragma și a cauza un scurtcircuit între electrozii pozitivi și negativi, impactul asupra bateriei nu este semnificativ; totuși, atunci când praful este suficient de abundent încât să străpungă diafragma, impactul asupra bateriei va fi foarte semnificativ.

3. Efectul temperaturii:

Temperatura este una dintre cele mai critice factori. Temperaturile ridicate accelerează în mod semnificativ vitezele tuturor reacțiilor chimice care duc la auto-descărcare (evoluția filmului SEI, descompunerea electrolitului, reacțiile cu impuritățile etc.), determinând o creștere bruscă a ratei de auto-descărcare. Prin urmare, depozitarea pe termen lung a bateriilor trebuie efectuată la temperaturi scăzute (dar evitați congelarea).

4. Impactul auto-descărcării:

Pierderea capacității: Cel mai direct impact este reducerea capacității disponibile a bateriei.

Cădere de tensiune: Tensiunea în circuit deschis scade în timpul depozitării.

Îmbătrânire accelerată: Reacțiile secundare care au loc în timpul auto-descărcării (cum ar fi creșterea continuă a SEI) consumă litiu activ și electrolit, ceea ce reprezintă în sine un mecanism de îmbătrânire.

Dificultate în estimarea stării de încărcare: Auto-descărcarea face dificilă determinarea precisă a sarcinii rămase doar pe baza tensiunii.

Riscuri de siguranță (cazuri extreme): O auto-descărcare anormal de mare (cum ar fi un scurtcircuit intern sever) poate duce la creșterea temperaturii bateriei și chiar la declanșarea fuga termică.

Principalele măsuri de contracarare a auto-descărcării bateriei sunt următoarele:

(1) Optimizarea proiectării și a materialelor bateriei: îmbunătățirea stabilității membranei SEI, dezvoltarea unor electroliți cu o rezistență mai mare la oxidare și materiale de înaltă puritate, precum și îmbunătățirea calității diafragmei.

(2) Controlul condițiilor de depozitare:

Temperatura: Cel mai important lucru! Încercați să păstrați bateria la temperaturi joase (de exemplu, 10°C–25°C, evitați temperaturile sub 0°C).

Starea de încărcare: Atunci când păstrați bateria pentru o perioadă lungă, încărcați-o la o stare de încărcare moderată (de exemplu, 40%–60%). Starea complet încărcată va accelera oxidarea electrolitului de către electrodul pozitiv, în timp ce starea complet descărcată poate provoca deteriorarea electrodului negativ din cauza descărcării excesive.

(3) Reîncărcare periodică: Pentru bateriile care au stat neutilizate o perioadă lungă, tensiunea/SOC trebuie verificată periodic, iar atunci când nivelul de încărcare este prea scăzut, trebuie efectuată o reîncărcare corespunzătoare (de exemplu, până la 50%) pentru a evita descărcarea profundă și deteriorarea bateriei.

(4) Control strict al procesului de fabricație: reducerea impurităților și a prafului metalic pentru a asigura calitatea diafragmei.

Baterii litiu-ion autodescărcarea este cauzată în principal de reacțiile chimice secundare intrinseci, cum ar fi instabilitatea filmului SEI de la electrodul negativ și descompunerea lentă prin oxidare/reducere a electrolitului la suprafața electrozilor (în special la electrodul pozitiv). Curenții micro-interni cauzați de defecte de fabricație (cum ar fi defectele separatorului și impuritățile) pot duce la rate anormal de mari ale autodescărcării . Temperatura este cel mai important factor extern care afectează ratele de autodescărcare . Înțelegerea cauzelor autodescărcării poate ajuta la optimizarea strategiilor de utilizare și depozitare a bateriilor, prelungind astfel durata lor de viață.