Analisi della durata del ciclo della batteria agli ioni di litio

Analisi della durata del ciclo della batteria agli ioni di litio

Per una batteria agli ioni di litio ideale, il bilancio di capacità non cambia durante il ciclo e la capacità iniziale di ogni ciclo deve essere un certo valore. In realtà, la situazione è molto più complessa. Qualsiasi reazione secondaria che possa innescare o consumare ioni di litio può portare a una variazione del bilancio di capacità della batteria. Ciò avrà un grave impatto sulle prestazioni della batteria durante il ciclo.

Sono molti i fattori che influenzano la durata delle batterie agli ioni di litio, ma la ragione fondamentale è che il numero di ioni di litio coinvolti nel trasferimento di energia sta diminuendo. Va notato che la quantità totale di litio nella batteria non si è ridotta, ma ci sono meno ioni di litio "attivati". Sono confinati in altri luoghi o il canale attivo è bloccato e non possono partecipare liberamente al processo di carica e scarica ciclica.

Se scopriamo dove sono finiti gli ioni di litio che avrebbero dovuto partecipare alla reazione di ossidoriduzione, possiamo scoprire il meccanismo del declino della capacità e adottare misure mirate per ritardare la tendenza al declino della capacità delle batterie agli ioni di litio e migliorarne la durata del ciclo.

1. Deposizione di litio metallico

Grazie alla precedente scomposizione, sappiamo che il litio non dovrebbe esistere in forma metallica nelle batterie agli ioni di litio. Gli elementi di litio esistono sotto forma di ossidi metallici, composti di carbonio e ioni.

Sulla superficie dell'elettrodo negativo, il litio metallico si deposita facilmente. Per alcuni motivi, quando gli ioni di litio migrano sulla superficie dell'elettrodo negativo, alcuni ioni di litio non entrano nel materiale attivo dell'elettrodo negativo per formare composti stabili, ma si depositano sulla superficie dell'elettrodo negativo per diventare litio metallico dopo aver ottenuto elettroni, e non partecipano più al successivo processo di ciclo, con conseguente diminuzione della capacità.

Questa situazione è generalmente causata da diversi motivi: la carica supera la tensione di cut-off; la carica ad alta velocità; l'insufficienza di materiale negativo. In caso di sovraccarico o di materiale catodico insufficiente, il catodo non è in grado di accogliere gli ioni di litio migrati dal catodo, con conseguente deposito di litio metallico. Durante la carica ad alta velocità, la quantità di ioni di litio che raggiungono l'elettrodo negativo in breve tempo è troppo elevata, con conseguente blocco e deposito.

Il deposito di litio metallico non solo riduce la durata del ciclo, ma provoca anche un cortocircuito positivo e negativo, con conseguenti gravi problemi di sicurezza.

Per affrontare questo problema, dovremmo mescolare in modo ragionevole i materiali positivi e negativi e limitare rigorosamente le condizioni di servizio delle batterie agli ioni di litio per evitare di superare il limite di servizio. Naturalmente, partendo dalle prestazioni di ingrandimento, è possibile migliorare localmente anche la durata del ciclo.

2. Analisi dei materiali del catodo

Sebbene gli ossidi metallici contenenti litio come materiali catodici abbiano una stabilità sufficiente, durante il processo di utilizzo a lungo termine continueranno ad essere analizzati, e alcune sostanze elettrochimiche inerti (come Co3O4, Mn2O3, ecc.) e alcuni gas combustibili germoglieranno, distruggendo l'equilibrio di capacità tra gli elettrodi e causando una perdita irreversibile di capacità.

Questa situazione è particolarmente evidente in caso di sovraccarico, e talvolta si verificano anche analisi violente e rilascio di gas, che non solo compromettono la capacità della batteria, ma causano anche gravi rischi per la sicurezza.

Oltre a limitare rigorosamente la tensione di interruzione della carica della batteria, anche il miglioramento della stabilità chimica e termica del materiale del catodo è un modo fattibile per ridurre il tasso di declino della durata del ciclo.

3. Film SEI sulla superficie dell'elettrodo

Come accennato in precedenza, nelle batterie agli ioni di litio con materiale al carbonio come elettrodo negativo, durante il ciclo iniziale, l'elettrolita formerà uno strato di film di elettrolita solido (SEI) sulla superficie dell'elettrodo. I diversi materiali dell'elettrodo negativo presentano alcune differenze, ma i componenti del film SEI sono principalmente costituiti da carbonato di litio, estere alchilico di litio, idrossido di litio, ecc.

Il processo di formazione della membrana SEI consuma ioni di litio nella batteria e la membrana SEI non è stabile. Continuerà a rompersi durante il ciclo, esponendo nuove superfici di carbonio, e poi reagirà con gli elettroliti per formare una nuova membrana SEI, che continuerà a causare la continua perdita di ioni di litio e di elettroliti, con conseguente declino della capacità della batteria. Il film SEI ha un certo spessore. Sebbene gli ioni di litio possano penetrare, la pellicola SEI blocca alcuni canali di diffusione sulla superficie dell'elettrodo negativo, non favorendo la diffusione degli ioni di litio nel materiale dell'elettrodo negativo e riducendo la capacità della batteria.

4. Influenza dell'elettrolita

Nel processo di circolazione continua, l'elettrolita viene continuamente analizzato e volatilizzato a causa delle limitazioni di stabilità chimica e termica, che si accumulano per lungo tempo, con conseguente riduzione della quantità totale di elettrolita, infiltrazione insufficiente di materiali positivi e negativi, reazione di carica e scarica incompleta, con conseguente declino della capacità di utilizzo effettiva.

Poiché il potenziale di ossidazione delle impurità è generalmente inferiore al potenziale positivo della batteria agli ioni di litio, è facile che si ossidino sulla superficie positiva e che l'ossido si riduca sull'elettrodo negativo, consumando continuamente le sostanze attive positive e negative, causando l'autoscarica, cioè la modifica della scarica della batteria in caso di utilizzo anomalo.

L'elettrolita contiene anche una certa quantità di acqua, che reagisce con il lifp6 nell'elettrolita per trasformare LIF e HF. L'HF distruggerà quindi la membrana SEI e genererà più LIF, con conseguente deposito di LiF, consumo continuo di ioni di litio attivi e declino della durata del ciclo della batteria.

Dalla scomposizione di cui sopra, si evince che l'elettrolita ha un impatto molto importante sulla durata della batteria agli ioni di litio. La scelta di un elettrolita appropriato migliorerà chiaramente la durata della batteria.

5. Caduta di materiali positivi e negativi

Le sostanze attive degli elettrodi positivi e negativi sono fissate sul substrato attraverso l'adesivo. Nel processo di utilizzo a lungo termine, a causa del cedimento dell'adesivo e delle vibrazioni meccaniche della batteria, le sostanze attive degli elettrodi positivi e negativi continuano a staccarsi e ad entrare nella soluzione elettrolitica, il che porta alla continua riduzione delle sostanze attive che possono partecipare alla reazione elettrochimica e al continuo declino della durata della batteria.

6. Fattori di utilizzo esterni

Le batterie agli ioni di litio hanno condizioni e intervalli di servizio ragionevoli, come la tensione di scarica della carica, il rapporto di scarica della carica, l'intervallo di temperatura di lavoro, l'intervallo di temperatura di conservazione, ecc. Tuttavia, nell'uso reale, l'abuso oltre i limiti consentiti è molto comune. Un utilizzo irragionevole a lungo termine provoca una reazione chimica irreversibile all'interno della batteria, danneggia il meccanismo della batteria, ne accelera l'invecchiamento e causa un rapido declino della durata del ciclo. In condizioni gravi, può anche causare incidenti di sicurezza.

7. Sicurezza della batteria agli ioni di litio

La ragione interna del problema di sicurezza della batteria agli ioni di litio è che il calore all'interno della batteria è fuori controllo e il calore si accumula continuamente, con conseguente aumento continuo della temperatura interna della batteria, e le sue prestazioni esterne sono i fenomeni di rilascio violento di energia come la combustione e l'esplosione.

La batteria è un vettore di energia ad alta densità. In sostanza, ci sono fattori non sicuri. Più alta è la densità di energia, maggiore è l'impatto di un rilascio violento di energia e maggiore è il problema della sicurezza. Anche la benzina, il gas naturale, l'acetilene e altri vettori ad alta energia presentano gli stessi problemi. Ogni anno si verificano innumerevoli incidenti di sicurezza.

I diversi sistemi elettrochimici, le diverse capacità, i parametri di processo, l'ambiente di utilizzo e il grado di utilizzo hanno un grande impatto sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio.

Poiché la batteria immagazzina energia, nel processo di rilascio dell'energia, quando la velocità di innesco e accumulo del calore della batteria è maggiore della velocità di dissipazione del calore, la temperatura interna della batteria continuerà a salire. Le batterie agli ioni di litio sono composte da materiali catodici altamente attivi e da un elettrolita organico. In condizioni di riscaldamento, sono molto soggette a violente reazioni chimiche collaterali. Questa reazione genererà molto calore e porterà addirittura a un "calore fuori controllo", che è una ragione importante per gli incidenti pericolosi delle batterie.