Почему уменьшается емкость литиевых батарей?

Литий-ионная батарея потеря емкости относится к явлению, при котором литий-ионные аккумуляторы постепенно теряют свою доступную емкость со временем и с износом аккумулятора. В чем механизм потери емкости?

1. Изменение объема

Во время процесса зарядки и разрядки аккумулятора литий-ионы внедряются внутрь и выходят из него, вызывая расширение/сжатие кристаллических решеток материалов положительного и отрицательного электродов в различной степени.

A. Микроструктура катодного материала изменяется, что приводит к уменьшению количества внедренного лития. При перезарядке литий-ионы быстро перемещаются к аноду, что вызывает разрушение кристаллической решетки катода.

B. Объем отрицательного электрода графита изменяется во время внедрения и извлечения ионы лития может достигать 10%, что приводит к расслоению частиц.

2. Образование пленки SEI

Во время формирования батареи ионы лития химически реагируют с определенными компонентами электролита в процессе первоначальной зарядки и разрядки, образуя необратимый твердый электролитный интерфейс на границе между отрицательным электродом и электролитом. В процессе зарядки и разрядки SEI постоянно разрушается и регенерирует, в результате чего снижается активность ионов лития, увеличивается толщина пленки SEI и растет внутреннее сопротивление.

3. Рост литиевых дендритов

При низких температурах, быстрой зарядке и перезарядке ионы лития продолжают двигаться к отрицательному электроду. Скорость извлечения ионов лития превышает скорость внедрения ионов лития, в результате чего ионы лития оседают около отрицательного электрода и снижается их активность.

4. Разложение электролита

Электролитическое разложение происходит в основном двумя путями: электрохимическое разложение и химическое разложение. Электрохимическое разложение делится на окислительное разложение на стороне положительного электрода и восстановительное разложение на стороне отрицательного электрода. Окислительное разложение на стороне положительного электрода происходит, когда потенциал положительного электрода >4,5 В, вызывая вздутие аккумулятора и увеличение межфазного импеданса. Восстановительное разложение на стороне отрицательного электрода происходит, когда потенциал графитового отрицательного электрода <0,8 В, вызывая утолщение SEI-слоя батареи и уменьшение активного лития. Химическое разложение делится на реакции, катализируемые следами воды, и реакции термического разложения при высокой температуре. Реакции, катализируемые следами воды, вызывают коррозию положительного электрода. Реакции термического разложения при высокой температуре вызывают высыхание электролита, что приводит к склонности к тепловому неконтролируемому процессу.

5. Коррозия токосъемников

Коррозия токосъемника подразделяется на коррозию алюминиевой фольги положительного электрода при высоком потенциале и коррозию медной фольги отрицательного электрода при низком потенциале. Когда потенциал положительного электрода превышает 3,8 В, алюминиевая фольга положительного электрода окисляется и корродирует. При перезарядке, когда потенциал отрицательного электрода меньше 3 В, медная фольга растворяется, перемещается к положительному электроду и оседает на его поверхности.

Также возможны выход из строя проводящих агентов и старение диафрагм.