ทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึงคายประจุเอง? สาเหตุและวิธีการลดปัญหานี้

การคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน หมายถึง การลดลงตามธรรมชาติ ของประจุ/แรงดันไฟฟ้าเมื่อแบตเตอรี่ ไม่ได้เชื่อมต่อกับวงจรภายนอก (กล่าวคือ อยู่ในสภาวะวงจรเปิด) ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะตัวที่พบได้ในแบตเตอรี่ทุกชนิด แม้ว่าจะมีอัตราแตกต่างกันไป แม้ว่าอัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนจะค่อนข้างต่ำ แต่ก็ยังเกิดขึ้นได้ สาเหตุหลักสามารถจำแนกออกได้ดังนี้:

1. ปฏิกิริยาเคมีข้างเคียงที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ (การคายประจุเองตามปกติ):

(1) การเจริญเติบโตและการละลายของฟิล์ม SEI:

พื้นผิวของขั้วลบ (โดยทั่วไปเป็นกราไฟต์) มีฟิล์มอินเตอร์เฟสของอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ฟิล์มนี้จะก่อตัวขึ้นในช่วงการชาร์จและคายประจุครั้งแรก และมีความสำคัญต่อการทำงานที่เหมาะสมของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ฟิล์ม SEI ไม่มีความเสถียรสมบูรณ์ ในระหว่างการจัดเก็บ โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง ฟิล์ม SEI จะค่อยๆ ละลายและก่อตัวใหม่ การก่อตัวใหม่นี้ใช้ไอออนลิเธียมและอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้ความจุลดลงและแรงดันตก ซึ่งเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งของการคายประจุเองในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

(2) การออกซิเดชัน/รีดักชันของอิเล็กโทรไลต์:

วัสดุแคโทด (เช่น ลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO₂), ลิเทียมนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสออกไซด์ (NCM), และลิเทียมไอรอนฟอสเฟต (LiFePO₄)) มีปฏิกิริยาออกซิเดชันสูงในสถานะที่ถูกชาร์จไว้ ตัวทำละลาย (เช่น เอทิลีนคาร์บอเนต (EC) และไดเมธิลคาร์บอเนต (DMC)) และสารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์จะเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวแบบออกซิเดชันอย่างช้าๆ เมื่อสัมผัสกับแรงดันไฟฟ้าสูงของขั้วแคโทดเป็นเวลานาน ในทำนองเดียวกัน ที่ด้านแอนโธด แม้อิเล็กโทรไลต์จะได้รับการป้องกันโดยฟิล์ม SEI แต่ยังอาจเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวแบบรีดักชันในปริมาณเล็กน้อยได้ ปฏิกิริยาเรด็อกซ์เสริมเหล่านี้จะทำให้ลิเทียมไอออนที่ใช้งานได้ถูกสูญเสียไป ส่งผลให้ความจุลดลง

(3) ปฏิกิริยากับสิ่งเจือปนในวัสดุที่ใช้งาน : สิ่งเจือปนเล็กน้อย (เช่น ไอออนของโลหะ Fe, Cu, Zn เป็นต้น) ที่มีอยู่ในวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรดหรือแผ่นนำกระแส อาจก่อให้เกิดวงจรลัดระดับจุลภาคระหว่างขั้วไฟฟ้า หรือเข้าร่วมในปฏิกิริยาพลอยได้ ซึ่งทำให้ประจุไฟฟ้าถูกสูญเสียไป

2. วงจรลัดภายในระดับจุลภาค (เกิดจากข้อบกพร่องในการผลิตหรือการเสื่อมสภาพตามอายุการใช้งาน):

(1) ข้อบกพร่องของไดอาแฟรม: รูเล็ก ๆ สารปนเปื้อน หรือจุดอ่อนบนไดอาแฟรม อาจทำให้เกิดการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในระดับเล็กน้อย (วงจรลัดวงจรขนาดเล็ก) ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ หลังจากกระบวนการชาร์จและคายประจุ หรือการเก็บรักษานานๆ ส่งผลให้เกิดการรั่วของประจุโดยตรง ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การคายประจุเองสูงผิดปกติ นอกจากนี้ แม้ว่าไดอาแฟรมจะป้องกันการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในระดับมหภาค และอนุญาตให้ไอออนผ่านเท่านั้น แต่ในระดับจุลภาค วัสดุอิเล็กโทรดเองหรือโครงข่ายตัวนำไฟฟ้าอาจสร้างเส้นทางการรั่วของอิเล็กตรอนที่อ่อนมากผ่านอิเล็กโทรไลต์

(2) การเจาะทะลุของเดนไดรต์: ในแบตเตอรี่ที่ถูกชาร์จเกิน ชาร์จที่อุณหภูมิต่ำ หรือมีอายุการใช้งานยาวนานมาก ลิเธียมโลหะอาจตกตะกอนอย่างไม่สม่ำเสมอที่พื้นผิวของขั้วลบ จนเกิดเป็นเดนไดรต์ เดนไดรต์ที่มีลักษณะแหลมคมอาจเจาะทะลุแผ่นแยก ทำให้เชื่อมต่อระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ และก่อให้เกิดวงจรลัดวงจรภายใน

(3) ฝุ่นโลหะระหว่างกระบวนการผลิต: หากฝุ่นผงโลหะที่ปนเปื้อนเข้ามาในกระบวนการผลิต (เช่น ฝุ่นที่เกิดขึ้นขณะตัดอิเล็กโทรด) ยังคงค้างอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดหรือเยื่อกั้น ก็อาจก่อให้เกิดการลัดวงจรขนาดเล็กได้ การผลิตที่ปราศจากฝุ่นอย่างสมบูรณ์เป็นไปไม่ได้ เมื่อปริมาณฝุ่นไม่มากพอที่จะเจาะทะลุเยื่อกั้นและทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ ผลกระทบต่อแบตเตอรี่จะไม่มีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม หากมีปริมาณฝุ่นมากพอจนสามารถเจาะทะลุเยื่อกั้นได้ ผลกระทบต่อแบตเตอรี่จะรุนแรงมาก

3. ผลกระทบของอุณหภูมิ:

อุณหภูมิเป็นหนึ่งใน ปัจจัยที่สำคัญที่สุด ปัจจัย อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่นำไปสู่การคายประจุเองอย่างมีนัยสำคัญ (การพัฒนาของฟิล์ม SEI, การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์, ปฏิกิริยากับสิ่งเจือปน ฯลฯ) ส่งผลให้อัตราการคายประจุเองเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้น การจัดเก็บแบตเตอรี่เป็นเวลานานควรดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำ (แต่ควรหลีกเลี่ยงการแช่แข็ง)

4. ผลกระทบของการคายประจุเอง:

การสูญเสียความจุ: ผลกระทบโดยตรงที่สุดคือการลดลงของความจุแบตเตอรี่ที่สามารถใช้งานได้

แรงดันตกค้าง: แรงดันวงจรเปิดจะลดลงตามระยะเวลาการเก็บรักษา

การเสื่อมสภาพที่เร่งขึ้น: ปฏิกิริยาข้างเคียงระหว่างการคายประจุเอง (เช่น การเจริญเติบโตของ SEI อย่างต่อเนื่อง) จะทำให้ลิเธียมที่ใช้งานได้และอิเล็กโทรไลต์ถูกใช้ไป ซึ่งถือเป็นกลไกหนึ่งของการเสื่อมสภาพ

ความยากลำบากในการประมาณระดับการชาร์จ การคายประจุเองทำให้การกำหนดปริมาณประจุที่เหลืออยู่อย่างแม่นยำจากแรงดันเพียงอย่างเดียวเป็นเรื่องยาก

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย (ในกรณีรุนแรง) การคายประจุเองที่ผิดปกติ (เช่น การลัดวงจรไมโครภายในที่รุนแรง) อาจทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้น และอาจกระตุ้นให้เกิดภาวะความร้อนล้นได้

มาตรการหลักในการรับมือกับการคายประจุเองของแบตเตอรี่มีดังนี้

(1) การปรับปรุงการออกแบบและวัสดุของแบตเตอรี่: ปรับปรุงความเสถียรของเยื่อ SEI พัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่มีความต้านทานการออกซิเดชันสูงและวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง รวมทั้งยกระดับคุณภาพของแผ่นแยก

(2) ควบคุมสภาพการจัดเก็บ:

อุณหภูมิ: สิ่งที่สำคัญที่สุด! พยายามจัดเก็บแบตเตอรี่ที่ อุณหภูมิต่ำ (เช่น 10°C-25°C หลีกเลี่ยงอุณหภูมิต่ำกว่า 0°C)

สถานะการชาร์จ: เมื่อจัดเก็บแบตเตอรี่เป็นเวลานาน ควรชาร์จให้อยู่ในระดับ สถานะการชาร์จปานกลาง (เช่น 40%-60%) การชาร์จเต็มจะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ที่ขั้วบวก ในขณะที่การปล่อยประจุหมดอาจทำให้ขั้วลบเสียหายจากภาวะคายประจุลึก

(3) การชาร์จซ้ำเป็นประจำ: สำหรับแบตเตอรี่ที่ไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานาน ควรตรวจสอบแรงดัน/สถานะการชาร์จ (SOC) เป็นระยะ และทำการชาร์จให้เหมาะสม (เช่น ชาร์จจนถึง 50%) เมื่อพลังงานต่ำเกินไป เพื่อหลีกเลี่ยงการคายประจุลึกและป้องกันความเสียหายต่อแบตเตอรี่

(4) การควบคุมกระบวนการผลิตอย่างเข้มงวด: ลดสิ่งปนเปื้อนและฝุ่นผงโลหะเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของไดอะแฟรม

แบตเตอรี่ลิตিয়ামไอออน การคายประจุเองเกิดขึ้นหลัก ๆ จากปฏิกิริยาเคมีรองที่มีอยู่ตามธรรมชาติ เช่น ความไม่เสถียรของฟิล์ม SEI ที่ขั้วลบ และ การสลายตัวแบบออกซิเดชัน/รีดักชันช้าของอิเล็กโทรไลต์บนพื้นผิวอิเล็กโทรด (โดยเฉพาะขั้วบวก) ไมโครชอร์ตภายในที่เกิดจากข้อบกพร่องในการผลิต (เช่น ข้อบกพร่องของเซพาร์เรเตอร์และสิ่งปนเปื้อน) อาจทำให้อัตราการคายประจุเองสูงผิดปกติ . อุณหภูมิเป็นปัจจัยภายนอกที่มีผลมากที่สุดต่ออัตราการคายประจุเอง การเข้าใจสาเหตุของการคายประจุเองสามารถช่วยในการปรับปรุงกลยุทธ์การใช้งานและการจัดเก็บแบตเตอรี่ ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น