Tại sao dung lượng của pin lithium-ion lại giảm dần?

Pin lithium-ion sự suy giảm dung lượng đề cập đến hiện tượng các pin lithium-ion dần mất đi dung lượng khả dụng theo thời gian và chu kỳ sử dụng. Cơ chế của sự suy giảm dung lượng là gì?

1. Thay đổi thể tích

Trong quá trình sạc và xả của pin, các ion lithium được nhúng vào và tách ra khỏi các điện cực, gây ra hiện tượng giãn nở/co lại ở mức độ khác nhau trong các cấu trúc vật liệu điện cực dương và điện cực âm.

A. Cấu trúc vi mô của vật liệu cathode thay đổi, dẫn đến giảm lượng lithium có thể chèn vào. Trong điều kiện sạc quá mức, các ion lithium di chuyển nhanh chóng đến anode, làm cho cấu trúc lattice cathode bị sụp đổ.

B. Sự thay đổi thể tích của than chì điện cực âm trong quá trình chèn và tách ion lithium có thể đạt tới 10%, dẫn đến hiện tượng phân lớp hạt.

2. Hình thành lớp màng SEI

Trong giai đoạn hình thành pin, các ion liti phản ứng hóa học với một số thành phần của chất điện phân trong quá trình sạc và xả điện đầu tiên, tạo thành một lớp giao diện điện phân rắn không thể đảo ngược tại bề mặt giữa điện cực âm và chất điện phân. Trong quá trình sạc và xả điện, lớp SEI liên tục bị phân hủy và tái tạo, dẫn đến sự giảm sút của các ion liti hoạt động, độ dày của lớp SEI tăng lên và điện trở trong tăng lên.

3. Sự phát triển của dendrite liti

Trong điều kiện nhiệt độ thấp, sạc nhanh và sạc quá mức, các ion liti tiếp tục di chuyển về phía điện cực âm. Tốc độ chiết xuất ion liti lớn hơn tốc độ ion liti tích tụ, dẫn đến việc các ion liti bị lắng đọng gần điện cực âm và làm giảm lượng liti hoạt động.

4. Phân hủy chất điện phân

Sự phân hủy chất điện phân chủ yếu xảy ra theo hai con đường: phân hủy điện hóa và phân hủy hóa học. Phân hủy điện hóa được chia thành phân hủy oxy hóa ở phía điện cực dương và phân hủy khử ở phía điện cực âm. Phân hủy oxy hóa ở phía điện cực dương xảy ra khi điện thế điện cực dương lớn hơn 4,5V, gây phồng pin và tăng trở kháng giao diện. Phân hủy khử ở phía điện cực âm xảy ra khi điện thế của điện cực âm graphite nhỏ hơn 0,8V, khiến lớp SEI của pin dày lên và làm giảm lượng liti hoạt tính. Phân hủy hóa học được chia thành phản ứng được xúc tác bởi lượng nước vết và phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao. Phản ứng được xúc tác bởi lượng nước vết gây ăn mòn điện cực dương. Phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao khiến chất điện phân bị khô, dẫn đến nguy cơ mất ổn định nhiệt.

5. Ăn mòn bộ góp điện

Hiện tượng ăn mòn bộ thu dòng được phân loại thành ăn mòn lá nhôm của điện cực dương ở điện thế cao và ăn mòn lá đồng của điện cực âm ở điện thế thấp. Khi điện thế điện cực dương vượt quá 3,8V, lá nhôm điện cực dương sẽ bị oxy hóa và ăn mòn. Trong điều kiện sạc quá mức, khi điện thế điện cực âm thấp hơn 3V, lá đồng sẽ bị hòa tan, di chuyển đến điện cực dương và bám lên bề mặt điện cực dương.

Cũng có thể xảy ra hư hỏng chất dẫn điện và sự lão hóa của màng ngăn.