Varför minskar litiumjonbatteriers kapacitet?

Litiumjonbatterier kapacitetsförlust syftar på fenomenet att litiumjonbatterier gradvis förlorar sin tillgängliga kapacitet med tiden och batteriets livslängd. Vad är mekanismen bakom kapacitetsförlust?

1. Volymförändring

Under batteriets laddnings- och urladdningsprocess migrerar litiumjoner in och ut, vilket orsakar att gittern i de positiva och negativa elektromaterialen expanderar/kontraherar i varierande grad.

A. Den mikrostruktur som utgör katodmaterialet förändras, vilket leder till en minskning av mängden litium som kan infogas. Vid överladdning migrerar litiumjonerna snabbt till anoden, vilket orsakar att katodgittret kollapsar.

B. Den volymförändring som sker i den negativa elektroden (grafit) vid infogning och uttagning av lithiumjoner kan nå upp till 10 %, vilket leder till partikelskiktning.

2. Bildning av SEI-film

Under batteriformeringsfasen reagerar litiumjoner kemiskt med vissa komponenter i elektrolyten under den inledande laddnings- och urladdningsprocessen, vilket bildar ett irreversibelt fast elektrolytgränsskikt vid gränssnittet mellan den negativa elektroden och elektrolyten. Under laddnings- och urladdningsprocessen bryts SEI-filmen kontinuerligt ner och regenereras, vilket resulterar i en minskning av aktiva litiumjoner, en ökning av SEI-filmens tjocklek och en ökning av inre motståndet.

3. Litiumdendritväxt

Vid låg temperatur, snabbladdning och överladdning fortsätter litiumjonerna att röra sig mot den negativa elektroden. Utvinningshastigheten för litiumjoner är större än inbäddningshastigheten för litiumjoner, vilket resulterar i att litiumjoner avlagras nära den negativa elektroden och en minskning av aktivt litium.

4. Elektrolytnedbrytning

Elektrolytnedbrytning sker huvudsakligen genom två vägar: elektrokemisk nedbrytning och kemisk nedbrytning. Elektrokemisk nedbrytning delas in i oxidativ nedbrytning på den positiva elektrodens sida och reductiv nedbrytning på den negativa elektrodens sida. Oxidativ nedbrytning på den positiva elektrodens sida sker när den positiva elektrodpotentialen är >4,5 V, vilket orsakar batteriblötdning och ökad interfacial impedans. Reductiv nedbrytning på den negativa elektrodens sida sker när grafitanodpotentialen är <0,8 V, vilket orsakar att batteriets SEI blir tjockare och minskar mängden aktivt litium. Kemisk nedbrytning delas in i spåravattencatalyserade reaktioner och högtemperatursnedbrytningsreaktioner. Spåravattencatalyserade reaktioner orsakar korrosion på den positiva elektroden. Högtemperatursnedbrytningsreaktioner orsakar att elektrolyten torkar ut, vilket leder till en tendens till termisk onormal upphettning.

5. Korrosion i strömsamlaren

Korrosion i strömsamlaren kategoriseras som korrosion av den positiva elektroden av aluminiumfolie vid hög potential och korrosion av den negativa elektroden av kopparfolie vid låg potential. När den positiva elektrodens potential överstiger 3,8 V oxideras och korroderas aluminiumfolien på den positiva elektroden. Vid överladdningsförhållanden, när den negativa elektrodens potential är lägre än 3 V, löses kopparfolien upp, migrerar till den positiva elektroden och deponeras på den positiva elektrodens yta.

Det förekommer även fel i ledande tillsatsser och åldrande av separatorer.