Prečo klesá kapacita lítium-iontových batérií?

Lítium-iónové batérie pokles kapacity označuje jav, pri ktorom lítium-iontové batérie postupne strácajú svoju dostupnú kapacitu v priebehu času a životnosti batérie. Aký je mechanizmus poklesu kapacity?

1. Zmena objemu

Počas nabíjania a vybíjania batérie sa lítium-ionty interkalujú do materiálov kladnej a zápornej elektródy a deinterkalujú z nich, čo spôsobuje rozšírenie alebo zmrštenie ich kryštalickej mriežky v rôznej miere.

A. Mikroštruktúra kladnej elektródy sa mení, čo spôsobuje zníženie množstva interkovaného lítia. Pri nadmernom nabíjaní sa lítium-ionty rýchlo presúvajú ku zápornej elektróde, čo spôsobuje kolaps kladnej kryštalickej mriežky.

B. Zmena objemu grafitej zápornej elektródy počas interkalácie a deinterkalácie ióny lítia môže dosiahnuť 10 %, čo spôsobuje vrstvenie častíc.

2. Vytváranie SEI vrstvy

Počas fázy tvorenia batérie chemicky reagujú lítiové ióny s určitými zložkami elektrolytu počas prvého nabíjania a vybíjania, pričom vzniká nevratné tuhé elektrolytické rozhranie na rozhraní medzi negatívnou elektródou a elektrolytom. Počas procesu nabíjania a vybíjania sa SEI neustále rozkladá a regeneruje, čo má za následok pokles aktívnych lítiových iónov, zvýšenie hrúbky filmu SEI a zvýšenie vnútorného odporu.

3. Rast lítiových dendritov

Pri nízkych teplotách, rýchlom nabíjaní a nadmernom nabíjaní lítiové ióny pokračujú v pohybe smerom k negatívnej elektróde. Rýchlosť extrakcie lítiových iónov je vyššia ako rýchlosť vkladania lítiových iónov, čo spôsobuje usadenie lítiových iónov v blízkosti negatívnej elektródy a zníženie aktivity lítia.

4. Rozklad elektrolytu

Elektrolytická dekompozícia prebieha hlavne dvoma cestami: elektrochemickou dekompozíciou a chemickou dekompozíciou. Elektrochemická dekompozícia sa delí na oxidačnú dekompozíciu na strane kladnej elektródy a redukčnú dekompozíciu na strane zápornej elektródy. Oxidačná dekompozícia na strane kladnej elektródy nastáva, keď je potenciál kladnej elektródy >4,5 V, čo spôsobuje nadúvanie batérie a zvýšenie interfaciálneho impedancie. Redukčná dekompozícia na strane zápornej elektródy nastáva, keď je potenciál grafitovej zápornej elektródy <0,8 V, čo spôsobuje zhrubnutie SEI vrstvy batérie a zníženie aktívneho lítia. Chemická dekompozícia sa delí na reakcie katalyzované stopovým množstvom vody a reakcie dekompozície za vysokých teplôt. Reakcie katalyzované stopovým množstvom vody spôsobujú koroziu kladnej elektródy. Reakcie dekompozície za vysokých teplôt spôsobujú odparovanie elektrolytu, čo vedie k tendencii k termálnemu úniku.

5. Koroziu prúdového kolektora

Korózia prúdového zbieraca sa klasifikuje ako korózia hliníkovej fólie kladnej elektródy pri vysokom potenciále a korózia medenej fólie zápornej elektródy pri nízkom potenciále. Keď potenciál kladnej elektródy presiahne 3,8 V, hliníková fólia kladnej elektródy sa oxiduje a koroduje. Pri nadmernom nabíjaní, keď je potenciál zápornej elektródy nižší ako 3 V, medená fólia sa rozpúšťa, migruje na kladnú elektródu a usádza sa na jej povrchu.

Taktiež môže nastať porucha vodivých látok a starnutie separátorov.