Panoramica dell'invecchiamento delle batterie al litio di potenza

Panoramica dell'invecchiamento delle batterie al litio di potenza

La durata delle batterie al litio è sempre stata uno dei parametri più importanti per gli acquirenti di veicoli elettrici. Come invecchia una batteria al litio?

L'invecchiamento appare sempre insieme al guasto, ma per essere precisi, invecchiamento e guasto sono due concetti. L'invecchiamento, che si riferisce al deterioramento dei parametri di prestazione della batteria nel tempo, è un processo quantitativo e i parametri si riferiscono principalmente alla capacità massima disponibile, alla resistenza interna e alla potenza della batteria. Il guasto, che è il processo per cui la batteria perde completamente la capacità di funzionare, relativamente breve nel tempo, è un cambiamento qualitativo. L'accumulo di invecchiamento è una causa importante di guasto.

Fattori che influenzano l'invecchiamento

La temperatura di lavoro ottimale della batteria di alimentazione è di 15℃-35℃, ma nelle applicazioni quotidiane è impossibile soddisfare pienamente le esigenze della batteria, pertanto lo scenario più comune che influisce sull'invecchiamento della batteria è quello delle alte temperature e delle basse temperature.

Oltre all'ambiente, anche i parametri operativi della batteria svolgono un ruolo nell'accelerare o decelerare l'invecchiamento, pertanto la scelta dei parametri di carica e scarica delle celle ha un impatto significativo.

Sotto l'azione dei fattori esterni sopra elencati, i materiali degli elettrodi della batteria e altre reazioni collaterali diverse dalla normale carica e scarica si verificano durante la reazione elettrochimica, portando all'invecchiamento.

Tipico processo di invecchiamento

I dettagli specifici del processo di invecchiamento sono strettamente correlati alla scelta dei materiali degli elettrodi positivi e negativi, degli elettroliti e del diaframma, pertanto questo articolo illustrerà il processo di invecchiamento in Ontario e non spiegherà in dettaglio i materiali specifici per il momento.

Invecchiamento ad alta temperatura

50℃ - 60℃ è il limite superiore dell'intervallo di temperatura di esercizio consentito alle batterie al litio generiche. Quando la reazione elettrochimica avviene a una temperatura più elevata, l'elettrolita è più attivo e soggetto a reazioni di decomposizione, e i prodotti della decomposizione si combinano con il materiale catodico, con conseguente consumo del materiale catodico; il materiale della struttura catodica viene corroso, la struttura reticolare collassa a causa della mancanza di un supporto materiale sufficiente, lo spazio vuoto per gli ioni di litio si riduce e la capacità del catodo di ospitare gli ioni di litio diminuisce, con conseguente perdita di capacità della batteria.

Allo stesso tempo, i prodotti riflessi dal materiale del catodo, vagando nell'elettrolita, possono aderire alla superficie degli elettrodi positivi e negativi. La superficie dell'elettrodo viene ricoperta da sostanze che non possono partecipare al processo di carica e scarica, ostacolando il regolare svolgimento dei processi elettrochimici e aumentando la resistenza interna della cella.

L'effetto del processo di alta temperatura sull'invecchiamento si verifica principalmente sull'elettrodo positivo, mentre l'effetto sull'elettrodo negativo rappresenta una percentuale relativamente piccola.

Invecchiamento a bassa temperatura

Quando la temperatura ambiente scende al di sotto di 0℃, le prestazioni della batteria agli ioni di litio iniziano a essere significativamente influenzate dalle basse temperature. Il film SIE, un film di passivazione generato dalla reazione tra il materiale dell'elettrodo negativo e l'elettrolita nel processo di formazione del nucleo, ha un effetto protettivo sul materiale dell'elettrodo negativo.

L'ispessimento del film SEI rende più difficile per gli ioni di litio attraversare lo strato di pellicola e raggiungere il catodo, il che aumenta la resistenza interna della cella se combinato con la ridotta concentrazione di ioni di litio conduttivi.

Durante la carica a bassa temperatura, soprattutto quando la corrente di carica è relativamente alta, si verifica un'altra reazione collaterale sull'elettrodo negativo: la precipitazione del monomero di litio. A basse temperature, l'attività degli ioni di litio diminuisce e si carica a malapena, facendo sì che gli ioni di litio in eccesso si raccolgano intorno all'elettrodo negativo e non siano in grado di attraversare il film SEI per raggiungere l'incorporazione dell'elettrodo negativo, per poi depositarsi sulla superficie dell'elettrodo negativo, formando uno strato di litio puro. Questo processo tende a verificarsi durante la carica a temperature troppo basse ed è irreversibile. Con l'accumularsi dei cicli di utilizzo, inoltre, i monoliti di litio continuano ad accumularsi e i dendriti continuano a crescere, rendendo cumulativo il rischio di perforazione del diaframma.

Le batterie al litio funzionano a basse temperature, il problema dell'invecchiamento si verifica principalmente nell'elettrodo negativo; esiste anche una reazione sul lato positivo, ma l'impatto non è significativo.

Carica e scarica ad alta corrente

Se la corrente di scarica supera la capacità di scarica di progetto, da un lato l'effetto termico della corrente provoca un aumento della temperatura della batteria e gli effetti collaterali dell'invecchiamento ad alta temperatura si intensificano progressivamente; dall'altro, l'alta corrente porta a un eccesso di ioni di litio che devono essere incorporati nel materiale del catodo, causando un impatto sulla stabilità del materiale.

La scarica ad alta corrente presenta lo stesso problema di generazione di calore e problemi di stabilità del materiale catodico. Allo stesso tempo, troppi ioni di litio vengono trasportati all'elettrodo negativo, superando la capacità dell'elettrodo negativo e causando la deposizione di monomeri di litio. Non solo si perde capacità, ma aumenta anche il rischio di fuga termica nell'uso a lungo termine, con danni più gravi.

Carica e scarica in sovratensione e sottotensione

La carica in sovratensione e la scarica in sottotensione provocano un cambiamento di fase del materiale catodico, che riduce lo spazio vuoto per ospitare gli ioni di litio e influisce sulla capacità massima disponibile della cella.

Autoscarica

L'autoscarica della cella della batteria avviene in qualsiasi momento e in qualsiasi luogo, e il processo di autoscarica è più significativo quando la temperatura è più elevata e il livello di carica è più alto. Il processo di autoscarica comporta una perdita congiunta della capacità reversibile e irreversibile della batteria. I prodotti dell'autoscarica, attaccati alla superficie dell'elettrodo, bloccano i canali degli ioni di litio e riducono la posizione di incorporazione degli ioni di litio, che a sua volta comporta una perdita permanente di capacità della cella.

Invecchiamento del modulo

La batteria agli ioni di litio è collegata in serie e in parallelo per formare un modulo e l'invecchiamento del modulo è direttamente influenzato dall'invecchiamento della singola cella. Inoltre, l'invecchiamento dei nuclei comporta il deterioramento della coerenza tra i nuclei, il che fa sì che l'invecchiamento dei moduli si amplifichi sulla base dell'invecchiamento dei nuclei.

Oltre all'influenza dell'invecchiamento del nucleo, il modulo subisce anche l'influenza delle vibrazioni, dell'ossidazione e della corrosione delle parti conduttrici, che approfondiscono il grado di invecchiamento. Le connessioni tra il nucleo interno del modulo e la barra di rame e tra la barra di rame e i terminali del modulo sono mantenute a stretto contatto mediante saldatura o connessione a vite per garantire che la resistenza sia compresa in un intervallo ragionevole. L'aumento della resistenza di connessione dovuto alle vibrazioni e all'ossidazione fa sì che la distribuzione della resistenza all'interno del modulo cambi. Questi cambiamenti possono influenzare i risultati di rilevamento della tensione della cella, che a sua volta influisce sul processo di carica/scarica ed equalizzazione della cella.

L'ambiente ostile e i parametri di lavoro sovraccarichi rendono il processo di invecchiamento più significativo e più facile da osservare per i ricercatori. In realtà, il processo di invecchiamento avviene in modo silenzioso. Le cellule hanno due vite, quella del calendario e quella del ciclo. Dal nome della vita del calendario, possiamo percepire l'insonnia dell'invecchiamento. Pertanto, la ricerca sui fattori che influenzano l'invecchiamento dei nuclei elettrici cerca solo di ridurre l'invecchiamento accelerato causato da operazioni irregolari.