Lityum iyonlu pillerin kapasitesi neden azalır?

Lityum iyonlu pil kapasite kaybı, lityum-iyon pillerin zamanla ve kullanım süresince kullanılabilir kapasitelerini giderek kaybetmesi olgusunu ifade eder. Kapasite kaybının mekanizması nedir?

1. Hacim değişimi

Pilin şarj ve deşarj işlemi sırasında lityum iyonlar katoda ve anoda göç eder, bu da pozitif ve negatif elektrot malzemelerinin kristal yapılarının farklı derecelerde genişlemesine/daralmasına neden olur.

A. Katot malzemesinin mikroyapısı değişir ve bu da lityumun interkalasyon (gömülme) miktarında azalmaya neden olur. Aşırı şarj durumlarında lityum iyonlar anoda hızlı bir şekilde göç eder ve katot kristal yapısının çökmesine yol açar.

B. Grafit negatif elektrotun iyonların gömülmesi ve çıkartılması sırasında lityum iyonlarının yüzde 10'a varan hacim değişimine uğraması, partiküllerin tabakalanmasına neden olur.

2. SEI tabakası oluşumu

Pil oluşturma aşamasında, lityum iyonları ilk şarj ve deşarj sürecinde elektrolitin belli bileşenleriyle kimyasal reaksiyona girerek negatif elektrot ile elektrolit arasındaki arayüzde tersinmez bir katı elektrolit arayüzü oluşturur. Şarj ve deşarj süreci boyunca SEI sürekli parçalanır ve yeniden oluşur; bu durum, aktif lityum iyonlarının azalmasına, SEI filminin kalınlığının artmasına ve iç direncin yükselmesine neden olur.

3. Lityum dendrit büyümesi

Düşük sıcaklık, hızlı şarj ve aşırı şarj koşullarında lityum iyonları negatif elektrota doğru hareket etmeye devam eder. Lityum iyonlarının çıkartılma hızı, gömülme hızından daha fazladır; bu da negatif elektrotun yakınında lityum iyonlarının birikmesine ve aktif lityumun azalmasına yol açar.

4. Elektrolit ayrışması

Elektrolit bozunması temel olarak iki yolla gerçekleşir: elektrokimyasal bozunma ve kimyasal bozunma. Elektrokimyasal bozunma, pozitif elektrot tarafında oksidatif bozunmaya ve negatif elektrot tarafında redüktif bozunmaya ayrılır. Pozitif elektrot tarafında oksidatif bozunma, pozitif elektrot potansiyeli >4,5 V olduğunda meydana gelir ve pilin şişmesine ve arayüzey empedansında artışa neden olur. Negatif elektrot tarafında redüktif bozunma, grafit negatif elektrot potansiyeli <0,8 V olduğunda meydana gelir ve pilin SEI tabakasının kalınlaşmasına ve aktif lityumun azalmasına neden olur. Kimyasal bozunma ise iz su katalizli reaksiyonlar ve yüksek sıcaklıkta bozunma reaksiyonları olmak üzere ikiye ayrılır. İz su katalizli reaksiyonlar pozitif elektrot korozyonuna neden olur. Yüksek sıcaklıkta bozunma reaksiyonları elektrolitin kurumasına neden olur ve termal kaçak eğilimini artırır.

5. Akım toplayıcı korozyonu

Kollektörün korozyonu, yüksek potansiyelde pozitif elektrot alüminyum folyosunun ve düşük potansiyelde negatif elektrot bakır folyosunun korozyonu olarak sınıflandırılır. Pozitif elektrot potansiyeli 3,8 V’u aştığında pozitif elektrot alüminyum folyosu oksidize olur ve korozyona uğrar. Aşırı şarj durumlarında negatif elektrot potansiyeli 3 V’un altına düştüğünde bakır folyo çözünür, pozitif elektrota göç eder ve pozitif elektrot yüzeyinde birikir.

İletken ajanların başarısız olması ve diaframın yaşlanması da vardır.