ทำไมความจุของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนจึงลดลง?

แบตเตอรี่ลิตিয়ামไอออน การสูญเสียความจุหมายถึงปรากฏการณ์ที่แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนค่อย ๆ สูญเสียความจุที่สามารถใช้งานได้ตามกาลเวลาและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ กลไกการสูญเสียความจุคืออะไร

1. การเปลี่ยนแปลงของปริมาตร

ในกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุของแบตเตอรี่ ไอออนลิเธียมจะเคลื่อนตัวเข้าและออกจากโครงผลึกของวัสดุขั้วบวกและขั้วลบ ทำให้โครงผลึกขยายตัว/หดตัวในระดับที่แตกต่างกัน

A. โครงสร้างจุลภาคของวัสดุขั้วบวกเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้ปริมาณลิเธียมที่สามารถแทรกเข้าไปได้ลดลง เมื่ออยู่ในสภาวะการชาร์จเกิน ไอออนลิเธียมจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไปยังขั้วลบ ทำให้โครงผลึกขั้วบวกพังทลายลง

B. ปริมาตรของกราไฟต์ที่เป็นขั้วลบเปลี่ยนแปลงขณะที่ลิเธียมเคลื่อนที่เข้าและออกจาก ไอออนลิเธียม สามารถสูงถึง 10% ซึ่งทำให้อนุภาคแยกชั้นกัน

2. การก่อตัวของฟิล์ม SEI

ในขั้นตอนการก่อตัวของแบตเตอรี่ ไอออนลิเธียมจะเกิดปฏิกิริยาเคมีกับองค์ประกอบบางอย่างของอิเล็กโทรไลต์ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุครั้งแรก จนเกิดการสร้างอินเตอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ที่บริเวณติดต่อระหว่างอิเล็กโทรดด้านลบกับอิเล็กโทรไลต์ ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ เอสอีไอจะแตกตัวและสร้างใหม่อย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ไอออนลิเธียมที่มีปฏิกิริยาลดลง ความหนาของฟิล์ม SEI เพิ่มขึ้น และความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น

3. การเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์

ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ การชาร์จเร็ว และการชาร์จเกิน ไอออนลิเธียมยังคงเคลื่อนที่ไปยังอิเล็กโทรดด้านลบต่อไป อัตราการสกัดไอออนลิเธียมมีค่ามากกว่าอัตราการแทรกไอออนลิเธียม ส่งผลให้ไอออนลิเธียมถูกสะสมไว้ใกล้กับอิเล็กโทรดด้านลบ และทำให้ปริมาณลิเธียมที่มีปฏิกิริยาลดลง

4. การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์

การย่อยสลายของอิเล็กโทรไลต์เกิดขึ้นหลักผ่านสองเส้นทาง ได้แก่ การย่อยสลายทางอิเล็กโทรเคมี และการย่อยสลายทางเคมี การย่อยสลายทางอิเล็กโทรเคมีแบ่งออกเป็น การย่อยสลายแบบออกซิเดชันที่ด้านอิเล็กโทรดบวก และการย่อยสลายแบบรีดักชันที่ด้านอิเล็กโทรดลบ การย่อยสลายแบบออกซิเดชันที่ด้านอิเล็กโทรดบวกเกิดขึ้นเมื่อศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดบวกสูงกว่า 4.5 โวลต์ ทำให้เกิดอาการบวมของแบตเตอรี่ และความต้านทานที่ผิวหน้าเพิ่มขึ้น การย่อยสลายแบบรีดักชันที่ด้านอิเล็กโทรดลบเกิดขึ้นเมื่อศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดลบเป็นต่ำกว่า 0.8 โวลต์ ทำให้ SEI ของแบตเตอรี่หนาขึ้น และลิเธียมที่ใช้งานลดลง การย่อยสลายทางเคมีแบ่งออกเป็น ปฏิกิริยาที่ถูกเร่งโดยน้ำในปริมาณน้อย และปฏิกิริลาย่อยสลายที่อุณหภูมิสูง ปฏิกิริยาที่ถูกเร่งโดยน้ำในปริมาณน้อยทำให้อิเล็กโทรดบวกเกิดการกัดกร่อน ปฏิกิริลาย่อยสลายที่อุณหภูมิสูงทำให้อิเล็กโทรไลต์แห้งลง นำไปสู่ความเสี่ยงต่อปรากฏการณ์การเผาไหม้แบบไม่ควบคุม (Thermal Runaway)

5. การกัดกร่อนของตัวนำกระแสไฟฟ้า

การกัดกร่อนของตัวเก็บกระแสไฟฟ้า จัดอยู่ในประเภทการกัดกร่อนของฟอยล์อลูมิเนียมที่ขั้วไฟฟ้าบวกภายใต้ศักยภาพไฟฟ้าสูง และการกัดกร่อนของฟอยล์ทองแดงที่ขั้วไฟฟ้าลบภายใต้ศักยภาพไฟฟ้าต่ำ เมื่อศักยภาพไฟฟ้าที่ขั้วบวกสูงกว่า 3.8V ฟอยล์อลูมิเนียมที่ขั้วบวกจะเกิดออกซิเดชันและถูกกัดกร่อน เมื่ออยู่ในสภาวะการชาร์จเกิน (Overcharge) เมื่อศักยภาพไฟฟ้าที่ขั้วลบต่ำกว่า 3V ฟอยล์ทองแดงจะละลาย เคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก และสะสมตัวบนพื้นผิวขั้วบวก

ยังมีปัญหาเกี่ยวกับตัวนำไฟฟ้าที่เกิดความล้มเหลว และการเสื่อมสภาพของไดอะแฟรม