Vida y seguridad de la batería de polímero de iones de litio

Vida útil del ciclo de la batería de iones de litio

Las baterías se usan, no se sienten duraderas, la capacidad no es mayor que antes, estos son el deterioro continuo del ciclo de vida.

El deterioro del ciclo de vida es en realidad una tendencia cambiante de la capacidad real disponible de la batería, en relación con su capacidad nominal en el momento de la entrega.

Para una batería de iones de litio ideal, el equilibrio de capacidad dentro de su ciclo no cambia, y la capacidad inicial en cada ciclo debería ser un valor determinado, pero de hecho la situación es mucho más complicada. Cualquier reacción secundaria que pueda producir 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 capacidad de la batería, este cambio es irreversible y se puede acumular a través de múltiples ciclos, lo que puede tener efectos graves 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 disminuye constantemente. Cabe señalar que el número total de elementos de litio en la batería no ha disminuido, pero hay menos iones de litio "activados". Están atrapados en otros lugares o los canales de actividad están bloqueados y no pueden participar libremente en el proceso de carga y descarga circular.

Así que solo tenemos que averiguar dónde se han ido los iones de litio que deberían haber estado involucrados en la reacción Redox, y podemos averiguar el mecanismo de reducción de la capacidad, y también podemos tomar medidas específicas para frenar la disminución de la capacidad. capacidad de las baterías de litio y aumentar la vida útil de reciclaje de las baterías de litio.

1. Sedimentación de litio metálico

Del análisis anterior, sabemos que las baterías de iones de litio no deberían existir en la forma metálica de litio, los elementos de litio están en forma de óxidos metálicos, compuestos de carbono-litio o en forma de iones.

La deposición de litio metálico ocurre generalmente en la superficie negativa. Por alguna razón, cuando los iones de litio migran a la superficie del electrodo negativo, algunos iones de litio no entran en el material negativamente activo para formar un compuesto estable. En cambio, los electrones se obtienen y se depositan en la superficie del electrodo negativo para convertirse en litio metálico y ya no participan en los ciclos posteriores. El proceso conduce a una disminución de la capacidad.

En este caso, generalmente hay varias razones: la carga excede el voltaje de corte; Carga de alta tasa; Los materiales negativos son insuficientes. Cuando la sobrecarga o el material negativo es insuficiente, el polo negativo no puede acomodar los iones de litio que han migrado desde el polo positivo, lo que resulta en la deposición de litio metálico. Cuando se carga la relación grande, debido al número excesivo de iones de litio que alcanzan el polo negativo en un corto período de tiempo, se produce congestión y deposición.

La deposición de litio metálico no solo provocará una disminución en el ciclo de vida, sino que también provocará cortocircuitos de polos positivos y negativos en casos graves, provocando serios problemas de seguridad.

Para solucionar este problema, es necesario tener una relación razonable de materiales de electrodo positivo y negativo, y al mismo tiempo limitar estrictamente las condiciones de uso de baterías de litio para evitar exceder el límite de uso. Por supuesto, a partir del rendimiento de la relación, también puede mejorar parcialmente el ciclo de vida.

2. Descomposición de material positivo

Los óxidos metálicos que contienen litio como materiales positivos, aunque tienen suficiente estabilidad, continúan descomponiéndose durante el uso prolongado, produciendo algunas sustancias electroquímicas inertes (como Co 3O4, Mn2O3, etc.) y algunos gases inflamables., Destruye la capacidad. equilibrio entre electrodos y provoca una pérdida irreversible de capacidad.

Esta situación es particularmente evidente en la sobrecarga y, a veces, incluso la descomposición violenta y la liberación de gas pueden afectar no solo la capacidad de la batería, sino también graves riesgos de seguridad.

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

3. Membrana SEI en la superficie del electrodo

Como se mencionó anteriormente, las baterías de iones de litio con carbono como electrodo negativo formarán una capa de membrana de electrolito sólido (SEI) en la superficie del electrodo durante el ciclo inicial, y los diferentes materiales del electrodo negativo tendrán ciertas diferencias. Sin embargo, la composición de la membrana SEI está compuesta principalmente por carbonato de litio, alquil éster de litio, hidróxido de litio, etc. Por supuesto, también existen productos de descomposición de la sal, y también existen algunos polímeros.

El proceso de formación de la membrana SEI consume iones de litio en la batería, y la membrana SEI no es estable y continuará rompiéndose durante el proceso del ciclo, exponiendo nuevas superficies de carbono y reaccionando con electrolitos para formar una nueva membrana SEI. Esto seguirá provocando pérdidas continuas de iones de litio y electrolitos, lo que resultará en una reducción de la capacidad de la batería. La membrana SEI tiene un cierto grosor. Aunque los iones de litio pueden penetrar, la membrana SEI provocará bloqueos en la difusión de la parte de la superficie negativa, lo que no conduce a la difusión de iones de litio en el material del electrodo negativo. Esto también provocará la reducción de la capacidad de la batería.

4. Efectos de los electrolitos

En el proceso de ciclo continuo, debido a las limitaciones de estabilidad química y estabilidad térmica, los electrolitos continuarán descomponiéndose y evaporándose, los cuales se acumularán a largo plazo, resultando en una disminución en la cantidad total de electrolitos, infiltración insuficiente de positivo y negativo. materiales y reacciones de carga y descarga incompletas. Provocando una disminución en la capacidad real de uso.

El electrolito contiene sustancias de hidrógeno activo e iones metálicos como hierro, sodio, aluminio y níquel. Debido a que el potencial de oxidación de las impurezas es generalmente más bajo que el potencial positivo de las baterías de iones de litio, es fácil de oxidar en la superficie positiva, y el óxido se reduce en el electrodo negativo, consumiendo constantemente sustancias activas positivas y negativas, causando auto- descarga, es decir, cambiar la descarga de la batería en caso de uso anormal. La duración de la batería está determinada por el número de ciclos, y el electrolito que contiene impurezas afecta directamente al número de ciclos.

El electrolito también contiene una cierta cantidad de agua. El agua reacciona con LiFP6 en el electrolito para producir LiF y HF. El HF, a su vez, destruye la membrana SEI y genera más LiF, provocando la deposición de LiF y el consumo continuo de iones de litio activos. Hace que disminuya la vida útil del ciclo de la batería.

Del análisis anterior, se puede ver que los electrolitos tienen una influencia muy importante en el ciclo de vida de las baterías de iones de litio. La elección de los electrolitos adecuados aumentará significativamente el ciclo de vida de las baterías.

5. Bloqueo o daño de la membrana de aislamiento

La función de la membrana de aislamiento es separar los polos positivo y negativo de la batería para evitar cortocircuitos. En el proceso del ciclo de la batería de iones de litio, el secado y la falla de la membrana de separación es una razón importante para el deterioro temprano del rendimiento de la batería. Esto se debe principalmente a la falta de estabilidad electroquímica y propiedades mecánicas de la propia película de aislamiento y a la infiltración del electrolito en la película de aislamiento durante el proceso de carga repetida. Debido al secado de la membrana de aislamiento, la resistencia óhmica de la batería aumenta, lo que resulta en la congestión del canal de carga y descarga, carga y descarga incompletas, y la capacidad de la batería no puede volver al estado inicial, reduciendo en gran medida la capacidad de la batería. y vida útil.

6. Los materiales positivos y negativos se caen

Las sustancias activas positivas y negativas se fijan a la matriz mediante aglutinantes. Durante el proceso de uso a largo plazo, debido a la falla de los aglutinantes y la vibración mecánica de la batería, las sustancias activas positivas y negativas continúan cayendo y entrando en la solución de electrolito. Esto conduce a la reducción continua de sustancias activas que pueden participar en reacciones electroquímicas y a la reducción continua del ciclo de vida 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

Las baterías de iones de litio tienen condiciones y rango de uso razonables, como carga y descarga de voltaje, relación de carga y descarga, rango de temperatura de funcionamiento, rango de temperatura de almacenamiento, etc. Sin embargo, en el uso real, el abuso más allá del rango permitido es muy común . El uso irrazonable a largo plazo dará lugar a reacciones químicas irreversibles dentro de la batería, causando daños al mecanismo de la batería, acelerando el envejecimiento de la batería y provocando una rápida disminución en el ciclo de vida., Severo, También hay incidentes de seguridad.

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