Bakit Ang Lithium-Ion na Baterya ay Nagpapababa ng Sarili? Mga Sanhi at Paano Ito Mapapangalagaan

Tumutukoy ang self-discharge ng lithium-ion na baterya sa likas na pagbaba sa karga/voltage kapag hindi konektado ang baterya sa isang panlabas na sirkuito (hal., nasa bukas na estado ng sirkuito) . Isang likas na katangian ito ng lahat ng baterya, bagaman may iba-iba ito sa lawak. Bagama't mababa ang rate ng self-discharge ng lithium-ion na baterya, nagaganap pa rin ito. Ang mga pangunahing sanhi ay maaaring iuri-klasipikaray bilang sumusunod:

1. Hindi maiiwasang mga kemikal na reaksyong pangsiping (normal na self-discharge):

(1) Paglago at pagkakalat ng pelikula ng SEI:

Ang ibabaw ng anod (karaniwang grapiro) ay may pelikulang solidong electrolyte interface (SEI). Nabubuo ang pelikulang ito sa panahon ng unang pag-charge at pagbabalita, at mahalaga ito para maayos na paggana ng baterya. Gayunpaman, hindi ganap na matatag ang SEI film. Habang nakaimbak, lalo na sa mataas na temperatura, unti-unting natutunaw at nabubuo muli ang SEI film. Ang pabalik-balik na pagkabuo nito ay umaubos ng mga lithium ion at elektrolito, na nagdudulot ng pagbaba ng kapasidad at boltahe. Ito ang isa sa pangunahing sanhi ng sariling pagbaba ng singil (self-discharge) sa mga lithium-ion baterya.

(2) Oksihenasyon/pagbawas ng elektrolito:

Ang mga katod na materyales (tulad ng lithium cobalt oxide (LiCoO₂), lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM), at lithium iron phosphate (LiFePO₄)) ay nagpapakita ng mataas na oxidative activity sa naka-charge na estado. Ang mga solvent (tulad ng ethylene carbonate (EC) at dimethyl carbonate (DMC)) at additives sa electrolyte ay dahan-dahang sumasailalim sa oxidative decomposition reaction kapag nakalantad sa mataas na potensyal ng katod nang mahabang panahon. Katulad nito, sa gilid ng anoda, bagaman protektado ng SEI film, maaaring mangyari ang bahagyang reductive decomposition ng electrolyte. Ang mga redox side reaction na ito ay nag-uubos ng aktibong lithium ions, na nagdudulot ng pagbaba ng capacity.

(3) Mga reaksyon ng dumi sa mga aktibong materyales : Ang bahagyang duming impurities (tulad ng metal ions na Fe, Cu, Zn, at iba pa) na naroroon sa mga aktibong materyales ng electrode o sa mga current collector ay maaaring bumuo ng maliliit na lokal na short circuit sa pagitan ng mga electrode o makilahok sa mga parasitic reaction, na nag-uubos ng kuryente.

2. Panloob na micro short circuit (dulot ng mga depekto sa pagmamanupaktura o pagtanda):

(1) Mga depekto sa diafragma: Ang mga maliit na butas, dumi, o mahihinang bahagi sa diafragma ay maaaring magdulot ng maliit na pagdaloy ng elektron (mikro-kurso na sirkito) sa pagitan ng positibo at negatibong elektrodo matapos ang mga siklo ng pag-charge at pagbaba ng charge o matagalang imbakan, na direktang nagdudulot ng pagtagas ng kuryente. Ito ang pangunahing sanhi ng abnormal na mataas na sariling pagbaba ng charge. Bukod dito, bagaman pinipigilan ng diafragma ang pagdaloy ng elektron sa makroskopikong antas at pinapayagan lamang ang mga ion na tumagos, sa mikroskopikong antas, ang mismong materyal ng elektrodo o ang network ng conductive agent ay maaaring bumuo ng napakabagting landas ng pagtagas ng elektron sa pamamagitan ng elektrolito.

(2) Pagbasag ng dendrite: Sa mga baterya na sobrang naka-charge, na-charge sa mababang temperatura, o lubhang tumanda, maaaring hindi pare-pareho ang deposito ng lithium metal sa ibabaw ng negatibong elektrodo, na nagbubunga ng mga dendrite. Ang matutulis na dendrite ay maaaring tumagos sa separator, kumonekta sa positibo at negatibong elektrodo, at magdulot ng panloob na short circuit.

(3) Metal na alikabok sa proseso ng pagmamanupaktura: Kung ang metal na alikabok na pumasok sa panahon ng proseso ng produksyon (tulad ng nabuo habang pinuputol ang mga elektrod) ay nananatili sa pagitan ng mga elektrodo o ng diafragma, maaari itong magdulot ng mikroskopikong maikling sirkito. Imposible ang ganap na produksyon na walang alikabok. Kapag hindi sapat ang alikabok upang tumagos sa diafragma at magdulot ng maikling sirkito sa pagitan ng positibo at negatibong mga elektrodo, hindi gaanong makabuluhan ang epekto nito sa baterya; gayunpaman, kapag malubha na ang alikabok na tumagos na sa diafragma, napakalaki na ng epekto nito sa baterya.

3. Epekto ng temperatura:

Ang temperatura ay isa sa pinakamahalagang salik. Ang mas mataas na temperatura ay lubos na nagpapabilis sa bilis ng lahat ng reaksiyong kimikal na nagdudulot ng sariling pagbaba ng karga (pag-unlad ng SEI film, pagkabasag ng elektrolito, reaksiyon ng mga impuridad, atbp.), na nagreresulta sa matalim na pagtaas sa rate ng sariling pagbaba ng karga. Samakatuwid, dapat isagawa ang matagalang pag-iimbak ng baterya sa mababang temperatura (ngunit iwasan ang pagkakapesto).

4. Epekto ng sariling pagbaba ng karga:

Pagbaba ng kapasidad: Ang pinakadirektang epekto ay ang pagbawas ng available na kapasidad ng baterya.

Pagbaba ng boltahe: Ang open circuit voltage ay bumababa habang tumatagal ang imbakan.

Pinabilis na pagtanda: Ang mga side reaction habang nasa self-discharge (tulad ng patuloy na paglago ng SEI) ay nag-uubos ng aktibong lithium at elektrolito, na mismo ay isang mekanismo ng pagtanda.

Kahirapan sa pagtantya ng estado ng singil: Ang self-discharge ay nagiging sanhi ng kahirapan sa tumpang pagtukoy sa natitirang singil gamit ang voltage lamang.

Mga panganib sa kaligtasan (mga matinding kaso): Ang abnormal na mataas na self-discharge (tulad ng malubhang internal micro-short circuit) ay maaaring magdulot ng pagtaas ng temperatura ng baterya at maging sanhi ng thermal runaway.

Ang mga pangunahing hakbang laban sa self-discharge ng baterya ay ang mga sumusunod:

(1) I-optimize ang disenyo at mga materyales ng baterya: mapabuti ang katatagan ng SEI membrane, umunlad ng mga elektrolito na may mas matibay na oxidation resistance at mataas na purity na materyales, at mapabuti ang kalidad ng diaphragm.

(2) Kontrolin ang mga kondisyon ng imbakan:

Temperatura: Pinakamahalaga ito! Subukang imbak ang baterya sa mababang Temperatura (hal. 10°C-25°C, iwasan ang temperatura na nasa ilalim ng 0°C).

Estado ng Pagkarga: Kapag ito ay mahabang panahong iimbakin, singilin ito sa katamtamang antas ng pagkarga (hal., 40%-60%). Ang ganap na singil ay magpapabilis sa oksihenasyon ng elektrolito sa positibong elektrodo, samantalang ang ganap na walang singil ay maaaring magdulot ng sobrang descarga at pinsala sa negatibong elektrodo.

(3) Regular na pagsisingil muli: Para sa mga bateryang matagal nang hindi ginagamit, dapat regular na suriin ang boltahe/SOC, at isagawa ang nararapat na pagsisingil (tulad ng pag-singil hanggang 50%) kapag masyadong mababa ang kuryente upang maiwasan ang malalim na descarga at posibleng pinsala sa baterya.

(4) Mahigpit na kontrol sa proseso ng pagmamanupaktura: bawasan ang mga dumi at alikabok na metal upang matiyak ang kalidad ng diafragma.

Lithium-ion battery ang pagsara ng sarili ay dulot higit sa lahat ng likas na kemikal na reaksyon, tulad ng ang kawalan ng katatagan ng pelikula ng SEI sa negatibong elektrodo at ang mabagal na oksihenasyon/pagbaba ng elektrolito sa ibabaw ng elektrodo (lalo na sa positibong elektrodo). Ang panloob na mikro-short na dulot ng mga depekto sa pagmamanupaktura (tulad ng depekto sa separator at mga dumi) ay maaaring magdulot ng hindi pangkaraniwang mataas na rate ng self-discharge . Ang temperatura ang pinakamalaking panlabas na salik na nakakaapekto sa rate ng self-discharge . Ang pag-unawa sa mga sanhi ng self-discharge ay makatutulong sa pag-optimize ng paraan ng paggamit at imbakan ng baterya, na nagpapahaba sa buhay ng baterya.