Чому зменшується ємність літій-іонних акумуляторів?

Літій-іонна батарея втрата ємності стосується явища, при якому літій-іонні акумулятори поступово втрачають свою доступну ємність з часом і з подовженням терміну служби акумулятора. Який механізм втрати ємності?

1. Зміна об'єму

Під час заряджання та розряджання акумулятора літійові іони вбудовуються та виходять, викликаючи розширення/стиснення ґраток матеріалів катоду та аноду в різній мірі.

A. Мікроструктура катодного матеріалу змінюється, унаслідок чого зменшується кількість вбудованого літію. У разі перевищення струму заряджання літійові іони швидко переміщуються до аноду, викликаючи зруйнування катодної ґратки.

B. Об'єм графіту аноду під час вбудовування та виходу йони літію може збільшитися на 10%, що призводить до шаруватості частинок.

2. Утворення SEI-плівки

Під час фази формування акумулятора літієві іони хімічно реагують з певними компонентами електроліту під час першого заряджання та розряджання, утворюючи незворотний твердий електролітний інтерфейс на межі між негативним електродом і електролітом. Під час процесів заряджання та розряджання ШЕІ постійно руйнується та відновлюється, що призводить до зменшення активних літієвих іонів, збільшення товщини плівки ШЕІ та збільшення внутрішнього опору.

3. Ріст літієвих дендритів

За низької температури, швидкого заряджання та перезаряджання літієві іони продовжують рухатися до негативного електрода. Швидкість вилучення літієвих іонів є більшою, ніж швидкість їхнього внедрення, що призводить до осідання літієвих іонів поблизу негативного електрода та зменшенню активного літію.

4. Розклад електроліту

Електроліт розкладається переважно двома шляхами: електрохімічним розкладанням та хімічним розкладанням. Електрохімічне розкладання поділяється на окислювальне розкладання на стороні додатного електрода й відновне розкладання на стороні від'ємного електрода. Окислювальне розкладання на стороні додатного електрода відбувається, коли потенціал додатного електрода >4,5 В, що призводить до розпухання акумулятора й збільшення імпедансу на межі розділу. Відновне розкладання на стороні від'ємного електрода відбувається, коли потенціал графітового від'ємного електрода <0,8 В, що призводить до ущільнення SEI-шару акумулятора й зменшення активного літію. Хімічне розкладання поділяється на реакції, каталізовані слідовими кількостями води, й реакції розкладання при високій температурі. Реакції, каталізовані слідовими кількостями води, призводять до корозії додатного електрода. Реакції розкладання при високій температурі призводять до висихання електроліту, що спричиняє схильність до теплового неконтрольованого процесу.

5. Корозія струмозбирача

Корозія струмознімачів поділяється на корозію алюмінієвої фольги позитивного електрода при високому потенціалі та корозію мідної фольги негативного електрода при низькому потенціалі. Коли потенціал позитивного електрода перевищує 3,8 В, алюмінієва фольга позитивного електрода окислюється та корозіює. У режимі переважного заряду, коли потенціал негативного електрода менше 3 В, мідна фольга розчиняється, переміщується до позитивного електрода і осідає на його поверхні.

Також може трапитися вихід з ладу провідникових агентів та старіння діафрагм.