¿Cómo se mejora el ciclo de vida de la batería de litio?

La batería no es tan duradera después de usarla durante algún tiempo, al igual que la capacidad, lo que significa que el ciclo de vida se atenúa constantemente.

La atenuación del ciclo de vida, de hecho, es la capacidad real disponible de la batería en la actualidad, en relación con su capacidad nominal al salir de fábrica, una tendencia cambiante.

Para una batería de iones de litio ideal, el equilibrio de capacidad no cambia durante el transcurso del ciclo, y la capacidad inicial en cada ciclo debe tener un valor determinado. Cualquier reacción secundaria que pueda generar o consumir iones de litio puede provocar un cambio en el equilibrio de la capacidad de la batería. Una vez que cambia el estado de equilibrio de la capacidad de la batería, este cambio es irreversible y se puede acumular a través de múltiples ciclos, lo que tiene un impacto grave en el rendimiento del ciclo de la batería.

Hay muchos factores que afectan el ciclo de vida de las baterías de iones de litio, pero la razón subyacente es que la cantidad de iones de litio involucrados en la transferencia de energía está disminuyendo. Cabe señalar que la cantidad total de litio en la batería no disminuye, pero hay menos iones de litio "activados", que están confinados en otros lugares o bloqueados en los canales activos, incapaces de participar libremente en el ciclo de carga y descarga.

Entonces, siempre que averigüemos dónde van todos los iones de litio que deberían estar involucrados en la reacción REDOX, podemos descubrir el mecanismo de disminución de la capacidad y tomar medidas específicas para retrasar la tendencia de disminución de la capacidad de la batería de litio y mejorar el ciclo de vida. de batería de litio.

1. Deposición de litio metálico

Según el análisis anterior, sabemos que no debería haber una forma metálica de litio en las baterías de iones de litio. Los elementos de litio están en forma de óxidos metálicos y compuestos de carbono-litio, o en forma de iones.

La deposición de metal litio generalmente ocurre en la superficie del cátodo. Debido a ciertas razones, cuando los iones de litio migran a la superficie del electrodo negativo, algunos iones de litio no ingresan al material activo del electrodo negativo para formar compuestos estables, sino que se depositan en la superficie del electrodo negativo después de ganar electrones para convertirse en litio. metal, y ya no participan en el proceso del ciclo posterior, lo que resulta en la reducción de la capacidad.

En este caso, hay varias razones: carga por encima del voltaje de corte; Carga de alta potencia; Material de ánodo insuficiente. Cuando la sobrecarga o el material del cátodo es insuficiente, el electrodo negativo no puede contener los iones de litio migrados del electrodo positivo, lo que da como resultado la deposición de metal litio. Cuando se carga a una velocidad alta, la cantidad de iones de litio que llegan al electrodo negativo en poco tiempo es demasiada, lo que resulta en bloqueo y deposición.

La deposición de metal de litio no solo provocará una disminución en la vida útil del ciclo, cuando sea grave, provocará un cortocircuito positivo y negativo, lo que provocará graves problemas de seguridad.

Para resolver este problema, es necesario tener una relación razonable de materiales de ánodo y cátodo, y limitar estrictamente las condiciones de servicio de las baterías de litio para evitar exceder el límite de servicio. Por supuesto, a partir del rendimiento del multiplicador, también puede mejorar localmente el ciclo de vida.

2. Descomposición de los materiales del ánodo

Los óxidos de metal de litio, como materiales de ánodo, tienen suficiente estabilidad. Sin embargo, continuarán descomponiéndose con el uso prolongado, produciendo algunas sustancias electroquímicas inertes (como Co3O4, Mn2O3, etc.) y algunos gases combustibles, que destruirán el equilibrio de capacidad entre los electrodos y causarán una pérdida irreversible de capacidad.

Esta situación es particularmente obvia en el caso de sobrecarga, a veces incluso de descomposición violenta y liberación de gas, no solo afecta la capacidad de la batería, sino que también causa serios riesgos de seguridad.

Además de limitar estrictamente el voltaje de corte de la carga de la batería, mejorar la estabilidad química y térmica de los materiales del ánodo también es un método factible para reducir la tasa de disminución del ciclo de vida.

Película SEI en la superficie del electrodo

Dicho antes, frente a los materiales de carbono como ánodo de la batería de iones de litio, en el proceso de bucle primario, el electrolito formará una capa sólida de electrolito en la superficie de la película del electrodo (SEI), los diferentes materiales del ánodo tienen algunas diferencias, pero la composición de la película SEI se compone principalmente de carbonato de litio, alquil litio, hidróxido de litio, etc., por supuesto, hay productos de descomposición de sal, hay algunos polímeros, etc.

La película de EI no es estable y se romperá constantemente durante el ciclo para exponer una nueva superficie de carbono y luego reaccionará con el electrolito para formar una nueva película de SEI, que provocará continuamente la pérdida continua de iones de litio y electrolito y conducirá a la reducción de la capacidad de la batería. La película SEI tiene un cierto grosor. Aunque los iones de litio pueden penetrar, la película SEI provocará un bloqueo parcial del canal de difusión en la superficie del electrodo negativo, lo que no conduce a la difusión de iones de litio en el material del electrodo negativo, lo que también provocará la disminución de la capacidad de la batería.

4. Efectos de los electrolitos

En el ciclo continuo, debido a la limitación de la estabilidad química y la estabilidad térmica, los electrolitos se descompondrán y volatilizarán continuamente y se acumularán durante un largo período, lo que provocará una disminución en la cantidad total de electrolitos, infiltración insuficiente de materiales de electrodos positivos y negativos, incompleto. reacciones de carga y descarga, y una disminución de la capacidad de uso real.

Electrolito que contiene material de hidrógeno activo y hierro, sodio, aluminio, níquel y otras impurezas de iones metálicos. Debido a que el potencial de oxidación de las impurezas es generalmente más bajo que el potencial positivo de la batería de iones de litio, fácil de oxidar en la superficie del electrodo positivo, el óxido y la reducción del electrodo negativo, el consumo constante de sustancias activas positivas y negativas, causando auto -descarga, es decir, en el caso de uso anormal para cambiar la descarga de la batería. La vida útil de la batería está determinada por el número de ciclos de carga y descarga, y el electrolito que contiene impurezas afecta directamente el número de ciclos.

El electrolito también contiene una cierta cantidad de agua, que reaccionará con LiFP6 en el electrolito para producir LiF y HF, que a su vez destruirá la película SEI, generará más LiF, provocará la deposición de LiF, consumirá constantemente los iones de litio activos y reducirá la vida útil del ciclo de la batería.

Del análisis anterior, se puede ver que el electrolito tiene un impacto muy importante en el ciclo de vida de la batería de iones de litio. La selección del electrolito apropiado puede mejorar significativamente el ciclo de vida de la batería.

5. La membrana de aislamiento está bloqueada o dañada.

La función del separador es separar los electrodos positivo y negativo de la batería y evitar cortocircuitos. Durante el ciclo de la batería de iones de litio, el drenaje y la falla de la película de barrera es una de las razones importantes del deterioro del rendimiento inicial de la batería. Esto se debe principalmente a la falta de estabilidad electroquímica y propiedades mecánicas de la propia membrana de aislamiento, así como al deterioro de la infiltración del electrolito a la membrana de aislamiento en el proceso de carga repetida. Debido al secado de la película de aislamiento, la resistencia óhmica de la batería aumenta, lo que lleva al bloqueo de los canales de carga y descarga, carga y descarga incompletas, la capacidad de la batería no se puede restaurar al estado inicial, lo que reduce en gran medida la capacidad y el servicio de la batería. la vida.

6. Los materiales de los electrodos positivos y negativos se caen

Es el material activo del cátodo, es a través del adhesivo y se fija en la base de lo anterior, en el proceso de uso a largo plazo, debido a la falla del adhesivo y la batería por vibración mecánica, es la pérdida de material activo del cátodo, hacia el electrolito solución, puede llevar a participar en la reacción electroquímica del material activo contrayendo el ciclo de vida decreciente de la batería.

La estabilidad a largo plazo del aglutinante y las buenas propiedades mecánicas de la batería ralentizarán el declive de la vida útil de la batería.

7. Factores de uso externo

La batería de iones de litio tiene una condición y un rango de uso razonables, como el voltaje de corte de carga y descarga, la relación de carga y descarga, el rango de temperatura de trabajo, el rango de temperatura de almacenamiento, etc. Sin embargo, en el uso real, el abuso más allá del alcance permitido es muy común. El uso irracional a largo plazo dará lugar a reacciones químicas irreversibles dentro de la batería, dañará el mecanismo de la batería, acelerará el envejecimiento de la batería y provocará una rápida disminución en el ciclo de vida. En casos graves, también provocará accidentes de seguridad.

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