Lebensdauer und Sicherheit von Polymer-Lithium-Ionen-Batterien

Lebensdauer des lithium-ionen-akkus

Batterien werden verwendet, fühlen sich nicht langlebig an, die Kapazität ist nicht höher als zuvor, dies ist der kontinuierliche Abfall der Lebensdauer.

Der Abfall der Lebensdauer ist tatsächlich ein sich ändernder Trend der tatsächlich verfügbaren Kapazität der Batterie im Verhältnis zu ihrer Nennkapazität zum Zeitpunkt der Lieferung.

Bei einem idealen Lithium-Ionen-akku ändert sich das Kapazitätsgleichgewicht innerhalb seines Zyklus nicht, und die Anfangskapazität in jedem Zyklus sollte einen bestimmten Wert haben, aber tatsächlich ist die Situation viel komplizierter. Jede Nebenreaktion, die Lithiumionen produzieren oder verbrauchen kann, kann zu einer Änderung des Batteriekapazitätsgleichgewichts führen. Sobald sich der Kapazitätsausgleichszustand der Batterie ändert, ist diese Änderung irreversibel und kann über mehrere Zyklen hinweg akkumuliert werden, was schwerwiegende Auswirkungen auf die Leistung des Batteriezyklus haben kann.

Es gibt viele Faktoren, die die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen. Der Grund dafür ist jedoch, dass die Anzahl der an der Energieübertragung beteiligten Lithium-Ionen ständig abnimmt. Es ist zu beachten, dass die Gesamtzahl der Lithiumelemente in der Batterie nicht abgenommen hat, aber weniger "aktivierte" Lithiumionen vorhanden sind. Sie sind an anderen Orten eingeschlossen oder die Aktivitätskanäle sind blockiert und können nicht frei am Prozess des zirkulären Ladens und Entladens teilnehmen.

Wir müssen also nur herausfinden, wohin die Lithiumionen gegangen sind, die an der Redox-Reaktion hätten beteiligt sein sollen, und wir können den Mechanismus der Kapazitätsreduzierung herausfinden und gezielte Maßnahmen ergreifen, um den Rückgang der zu verlangsamen Kapazität von Lithiumbatterien und erhöhen die Recycling-Lebensdauer von Lithiumbatterien.

1. Sedimentation von metallischem Lithium

Aus der vorherigen Analyse wissen wir, dass Lithiumionenbatterien nicht in der Metallform von Lithium existieren sollten. Lithiumelemente liegen entweder in Form von Metalloxiden, Kohlenstofflithiumverbindungen oder in Form von Ionen vor.

Die Ablagerung von metallischem Lithium erfolgt im Allgemeinen auf der negativen Oberfläche. Wenn Lithiumionen zur negativen Elektrodenoberfläche wandern, treten aus irgendeinem Grund einige Lithiumionen nicht in das negativ aktive Material ein, um eine stabile Verbindung zu bilden. Stattdessen werden Elektronen erhalten und auf der negativen Elektrodenoberfläche abgeschieden, um metallisches Lithium zu werden, und nehmen nicht mehr an nachfolgenden Zyklen teil. Der Prozess führt zu einer Kapazitätsabnahme.

In diesem Fall gibt es im Allgemeinen mehrere Gründe: Das Laden überschreitet die Abschaltspannung; Hochpreisaufladung; Negative Materialien sind unzureichend. Wenn eine Überladung oder ein negatives Material nicht ausreicht, kann der negative Pol keine Lithiumionen aufnehmen, die vom positiven Pol abgewandert sind, was zur Ablagerung von metallischem Lithium führt. Wenn das große Verhältnis geladen wird, werden aufgrund der übermäßigen Anzahl von Lithiumionen, die in kurzer Zeit den negativen Pol erreichen, Staus und Ablagerungen verursacht.

Die Ablagerung von metallischem Lithium führt nicht nur zu einer Verkürzung der Lebensdauer, sondern in schweren Fällen auch zu Kurzschlüssen von positiven und negativen Polen, was zu ernsthaften Sicherheitsproblemen führt.

Um dieses Problem zu lösen, ist es notwendig, ein angemessenes Verhältnis von positiven und negativen Elektrodenmaterialien zu haben und gleichzeitig die Bedingungen für die Verwendung von Lithiumbatterien streng zu begrenzen, um ein Überschreiten der Verwendungsgrenze zu vermeiden. Ausgehend von der Verhältnisleistung kann dies natürlich auch die Zykluslebensdauer teilweise verbessern.

2. Zersetzung von positivem Material

Lithiumhaltige Metalloxide als positive Materialien zersetzen sich, obwohl sie eine ausreichende Stabilität aufweisen, während des Langzeitgebrauchs weiter und produzieren einige elektrochemische inerte Substanzen (wie Co 3 O 4, Mn 2 O 3 usw.) und einige brennbare Gase. Es zerstört die Kapazität Gleichgewicht zwischen Elektroden und verursacht irreversiblen Kapazitätsverlust.

Diese Situation zeigt sich besonders beim Überladen, und manchmal kann sogar eine heftige Zersetzung und Gasfreisetzung nicht nur die Batteriekapazität, sondern auch ernsthafte Sicherheitsrisiken beeinträchtigen.

Neben der strengen Begrenzung der Lade-Abschaltspannung der Batterie ist die Verbesserung der chemischen Stabilität und der thermischen Stabilität des positiven Elektrodenmaterials auch eine praktikable Methode, um die Abnahmerate der Zykluslebensdauer zu verringern.

3. SEI-Membran auf der Elektrodenoberfläche

Wie bereits erwähnt, bilden Lithium-Ionen-Batterien mit Kohlenstoff als negativer Elektrode während des Anfangszyklus eine Schicht aus Festelektrolytmembran (SEI) auf der Oberfläche der Elektrode, und verschiedene negative Elektrodenmaterialien weisen bestimmte Unterschiede auf. Die Zusammensetzung der SEI-Membran besteht jedoch hauptsächlich aus Lithiumcarbonat, Alkylesterlithium, Lithiumhydroxid usw. Natürlich gibt es auch Zersetzungsprodukte von Salz und es gibt auch einige Polymere.

Der Bildungsprozess der SEI-Membran verbraucht Lithiumionen in der Batterie, und die SEI-Membran ist nicht stabil und bricht während des Zyklusprozesses weiter, wodurch neue Kohlenstoffoberflächen freigelegt werden und mit Elektrolyten reagiert wird, um eine neue SEI-Membran zu bilden. Dies führt weiterhin zu kontinuierlichen Verlusten an Lithiumionen und Elektrolyten, was zu einer Verringerung der Batteriekapazität führt. Die SEI-Membran hat eine bestimmte Dicke. Obwohl Lithiumionen eindringen können, verursacht die SEI-Membran Blockaden bei der Diffusion des negativen Oberflächenteils, was der Diffusion von Lithiumionen im negativen Elektrodenmaterial nicht förderlich ist. Dies führt auch zu einer Verringerung der Batteriekapazität.

4. Auswirkungen von Elektrolyten

Im kontinuierlichen Kreislaufprozess zersetzen sich Elektrolyte aufgrund der Einschränkungen der chemischen Stabilität und der thermischen Stabilität weiter und verdampfen weiter, was sich langfristig ansammelt, was zu einer Verringerung der Gesamtmenge an Elektrolyten und einer unzureichenden Infiltration von positiv und negativ führt Materialien und unvollständige Lade- und Entladereaktionen. Verringerung der tatsächlichen Nutzungskapazität.

Der Elektrolyt enthält aktive Wasserstoffsubstanzen und Metallionen wie Eisen, Natrium, Aluminium und Nickel. Da das Oxidationspotential von Verunreinigungen im Allgemeinen niedriger ist als das positive Potential von Lithium-Ionen-Batterien, ist es leicht, auf der positiven Oberfläche zu oxidieren, und das Oxid wird an der negativen Elektrode reduziert, wobei ständig positive und negative Wirkstoffe verbraucht werden, was zu Selbst- führt Entladung, dh Änderung der Batterieentladung bei abnormaler Verwendung. Die Batterielebensdauer wird durch die Anzahl der Zyklen bestimmt, und der Elektrolyt, der Verunreinigungen enthält, wirkt sich direkt auf die Anzahl der Zyklen aus.

Der Elektrolyt enthält auch eine bestimmte Menge Wasser. Wasser reagiert mit LiFP6 im Elektrolyten unter Bildung von LiF und HF. HF wiederum zerstört die SEI-Membran und erzeugt mehr LiF, was zu einer LiF-Ablagerung und einem kontinuierlichen Verbrauch von aktiven Lithiumionen führt. Bewirkt, dass sich die Lebensdauer des akkus verkürzt.

Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass Elektrolyte einen sehr wichtigen Einfluss auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien haben. Die Auswahl der geeigneten Elektrolyte verlängert die Lebensdauer der Batterien erheblich.

5. Verstopfung oder Beschädigung der Isolationsmembran

Die Isolationsmembran hat die Aufgabe, die positiven und negativen Pole der Batterie zu trennen, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Während des Lithium-Ionen-Batteriezyklus ist das Austrocknen und Versagen der Trennmembran ein wichtiger Grund für die frühe Verschlechterung der Batterieleistung. Dies ist hauptsächlich auf die mangelnde elektrochemische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften des Isolationsfilms selbst sowie auf die Infiltration des Elektrolyten in den Isolationsfilm während des wiederholten Ladevorgangs zurückzuführen. Aufgrund des Austrocknens der Isolationsmembran steigt der ohmsche Widerstand der Batterie an, was zu einer Überlastung des Lade- und Entladekanals, einem unvollständigen Laden und Entladen führt und die Batteriekapazität nicht in den Ausgangszustand zurückkehren kann, wodurch die Batteriekapazität stark verringert wird und Lebensdauer.

6. Positive und negative Materialien fallen ab

Die positiven und negativen Wirkstoffe sind durch Bindemittel an der Matrix fixiert. Während des Langzeitgebrauchs fallen aufgrund des Versagens der Bindemittel und der mechanischen Vibration der Batterie die positiven und negativen Wirkstoffe weiter ab und gelangen in die Elektrolytlösung. Dies führt zu einer kontinuierlichen Reduzierung von Wirkstoffen, die an elektrochemischen Reaktionen teilnehmen können, und zu einer kontinuierlichen Reduzierung der Batterielebensdauer.

Die Langzeitstabilität des Bindemittels und die guten mechanischen Eigenschaften der Batterie verlangsamen den Rückgang der Batterielebensdauer.

7. Externe Nutzungsfaktoren

Lithium-Ionen-Batterien haben angemessene Bedingungen und Verwendungsbereiche, wie z. B. Lade- und Entladespannung, Lade- und Entladeverhältnis, Betriebstemperaturbereich, Lagertemperaturbereich usw. Bei der tatsächlichen Verwendung ist jedoch ein Missbrauch außerhalb des zulässigen Bereichs sehr häufig . Eine langfristige unangemessene Verwendung führt zu irreversiblen chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie, die den Batteriemechanismus beschädigen, die Alterung der Batterie beschleunigen und die Lebensdauer des Zyklus schnell verkürzen. Schwerwiegend. Es gibt auch Sicherheitsvorfälle.

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