Jaké negativní dopady má nedostatek elektrolytu na lithiové baterie?

Elektrolyt jako hlavní médium pro přenos lithium-iontů v baterii hraje klíčovou roli jako „iontový vodič“, „ochrana rozhraní elektrody“ a „můstek pro přenos náboje“. Jeho množství musí být přesně přizpůsobeno velikosti elektrody, pórovitosti a objemu zapouzdření baterie, aby bylo zajištěno dostatečné smáčení aktivních materiálů elektrody a volné transportní cesty lithium-iontů. Nedostatek elektrolytu (v průmyslu označovaný jako „pod-elektrolytem“) není pouze záležitostí nedostatečného média; narušuje vnitřní elektrochemickou rovnováhu baterie a spouští řadu řetězových reakcí vedoucích ke snížení výkonu a selhání bezpečnosti. Většina těchto poškození je nevratná a má vážný dopad na životnost a bezpečnost baterie. Následující analýza, založená na skutečných pracovních principech baterií, podrobně popisuje jejich konkrétní negativní dopady a základní mechanismy.

Abychom usnadnili jasné pochopení, ujasněme si nejprve základní premisu: Základní funkcí elektrolytu je rozpouštět soli lithia (jako LiPF6, LiFSI atd.), poskytovat volně se pohybující ionty lithia a současně smáčet aktivní materiály kladné a záporné elektrody (jako jsou ternární materiály, fosforečnan lithno-železitý, grafit atd.) a separátor, vytvářet stabilní film CEI a stabilní lithiové rozhraní CEI a SEI transport iontů mezi kladnou a zápornou elektrodou.

Nejpřímější a nejintuitivnější dopad nedostatku elektrolytu je ten, že skutečná kapacita vybíjení baterie je výrazně nižší než projektovaná kapacita a tento pokles kapacity je nevratný a neustále se zhoršuje s rostoucím počtem cyklů. Základní mechanismus spočívá ve skutečnosti, že aktivní materiály kladné a záporné elektrody nemohou být elektrolytem zcela smáčeny; pouze malé množství povrchově aktivního materiálu se může účastnit reakce vkládání/extrakce lithných iontů, zatímco velké množství vnitřního aktivního materiálu zůstává „nečinné“ a nemůže vyvíjet elektrochemickou aktivitu.

Ze strukturálního hlediska jsou pozitivní i negativní elektrody porézní (s porézností typicky mezi 30 % a 50 %). Elektrolyt musí zcela vyplnit tyto póry, aby ionty lithia mohly kontaktovat každou aktivní částici. Pokud je elektrolyt nedostatečný, nemůže se v pórech vytvořit souvislá fáze elektrolytu a ionty lithia se mohou pohybovat pouze v omezené oblasti na povrchu elektrody. To výrazně snižuje počet iontů lithia účastnících se elektrochemické reakce, což zabraňuje uvolnění plné navržené kapacity během vybíjení.

Kromě toho ve stavu s nízkým{0}}elektrolytem během prvního nabíjení některé nesmáčené aktivní materiály nemohou vytvořit stabilní povrchový film. Dokonce i při následném doplnění elektrolytu je nepravděpodobné, že by tyto aktivní materiály znovu získaly aktivitu, což by vedlo k nevratnému poklesu kapacity a zabránilo obnovení na projektovanou hodnotu prostřednictvím nabíjecích cyklů.

ACEY-BCT560-64PTester kapacity lithiové baterieje dokonalým řešením pro testování a vyhodnocování výkonu lithium-iontových baterií. Toto -nejmodernější{3}} -umělecké vybavení obsahuje pokročilou technologii pro přesné měření a analýzu různých parametrů včetně napětí, proudu, teploty a dalších.

Vnitřní odpor lithiové baterie se skládá hlavně ze tří částí: ohmický odpor, odpor přenosu náboje a difúzní odpor. Nedostatek elektrolytu vede k výraznému zvýšení posledně jmenovaných dvou, což nakonec způsobí prudký nárůst celkového vnitřního odporu baterie, což následně ovlivňuje účinnost nabíjení/vybíjení a výstupní výkon.

Na jedné straně zvýšený odpor přenosu náboje: Odpor přenosu náboje se vyskytuje hlavně na rozhraní elektroda/elektrolyt, spoléhá se na stabilní mezifázový film a dostatek elektrolytu pro přenos náboje. Pokud je elektrolyt nedostatečný, povrch elektrody není dostatečně smáčen a mezifázové filmy (film SEI, film CEI) nemohou být rovnoměrně pokryty. Odolnost vůči vkládání/extrakce lithných iontů na povrchu elektrody se zvyšuje, zpomaluje přenos náboje a způsobuje exponenciální nárůst odporu přenosu náboje. Na druhé straně zvýšený difúzní odpor: Rychlost difúze lithných iontů v elektrolytu přímo souvisí s kontinuitou a koncentrací elektrolytu. Nedostatek elektrolytu vede k nerovnoměrné koncentraci elektrolytu, přičemž některé oblasti se dokonce stávají prázdnými plochami „bez elektrolytu{4}}“. Difúzní cesta lithných iontů je zablokována, difúzní vzdálenost se prodlužuje a difúzní odpor se výrazně zvyšuje.

Výkon cyklů je základním ukazatelem životnosti lithiové baterie, který odkazuje na schopnost baterie udržovat stabilní kapacitu během opakovaných cyklů nabíjení-vybíjení. Nedostatek elektrolytu vede k prudkému zhoršení výkonu cyklu a je náchylný k abnormálním jevům, jako je náhlý a významný pokles kapacity po jediném cyklu. To je v podstatě začarovaný kruh způsobený zvýšeným vnitřním odporem.

Jak již bylo zmíněno dříve, nedostatek elektrolytu vede ke zvýšenému vnitřnímu odporu. Hlavním důsledkem zvýšeného vnitřního odporu je zesílené lokalizované zahřívání během nabíjení a vybíjení baterie (podle Jouleova zákona Q=I²Rt při konstantním proudu vede vyšší vnitřní odpor k většímu vývinu tepla). Lokalizované přehřátí urychluje rozklad elektrolytu-při vysokých teplotách, elektrolyt podléhá redoxním reakcím, při nichž vznikají plyny, jako je CO₂ a HF, a také inertní látky, které dále spotřebovávají zbývající elektrolyt a vedou k ještě většímu nedostatku elektrolytu. Současně vysoké teploty také poškozují stabilní film na rozhraní elektroda/elektrolyt (film SEI praskne a rekonstruuje se). Protržený film SEI spotřebovává ionty lithia a elektrolyt, aby se sám opravoval, což dále zvyšuje odpor přenosu náboje.

Tento začarovaný kruh „nízká hladina elektrolytu → zvýšený vnitřní odpor → lokalizované zahřívání → rozklad elektrolytu → zhoršená nízká hladina elektrolytu“ způsobuje, že kapacita baterie během cyklování neustále klesá a rychlost poklesu se zrychluje. Když počet cyklů dosáhne určité úrovně, zcela selže mezifázový film nebo dojde k vyčerpání elektrolytu, dojde k výraznému poklesu kapacity. Nízká hladina elektrolytu navíc také vede ke špatné konzistenci kapacity během cyklování baterie. Ve vícečlánkové sérii baterií se nejprve sníží články s nízkou hladinou elektrolytu, čímž se sníží výkon a životnost celé baterie.

Vývin tepla způsobený nedostatkem elektrolytu je kritickým spojením mezi zhoršením výkonu a selháním bezpečnosti. Produkce tepla pochází hlavně ze dvou zdrojů, které mají kumulativní účinek, což vede k abnormálně vysoké teplotě baterie a představuje potenciální brzké riziko tepelného úniku.

• Katalytické generování tepla díky vnitřnímu odporu

Jak již bylo zmíněno dříve, nedostatek elektrolytu vede k prudkému nárůstu vnitřního odporu, což výrazně zvyšuje Joulovo teplo generované během nabíjení a vybíjení. Dále vlivem nedostatečného elektrolytu klesá i jeho vlastní schopnost odvádět teplo (elektrolyt má i určitou funkci odvodu tepla, odvádí teplo generované elektrodami do pláště baterie).

• Abnormální tvorba reakčního tepla

Nedostatek elektrolytu způsobuje nestabilitu ve filmu rozhraní elektrody, takže je náchylný k vedlejším reakcím. To se projevuje výrazným zvýšením teploty pouzdra baterie během nabíjení a vybíjení (normální teplota nabíjení a vybíjení je obvykle 20-45 stupňů, ale nedostatečný elektrolyt může stoupnout nad 50 stupňů), což je zvláště patrné během nabíjení, někdy se dokonce stává horkým na dotek. Pokud je baterie nabíjena a vybíjena vysokou rychlostí, tvorba tepla se dále zesílí, potenciálně překročí teplotu rozkladu elektrolytu (obvykle nad 60 stupňů), urychlí rozklad elektrolytu a stárnutí elektrody, což vytváří potenciální bezpečnostní riziko pro následné poruchy. Kromě toho může dlouhodobé vyvíjení tepla vést k deformaci pouzdra baterie a stárnutí tmelu, což může způsobit únik elektrolytu a další zhoršení stavu baterie.

ACEY-BCT506-512Hzařízení na testování vybití bateriepoužívá moderní elektronická monitorovací a řídicí zařízení namísto ruční práce ke sledování napětí, proudu, kapacity, energie, stavu formování a dalších parametrů distribuované tvorby baterií v reálném čase v reálném čase, diagnostiku a řešení poruch, záznam a analýzu relevantních dat, aby bylo možné realizovat bezobslužné a dávkové zpracování v procesu formování, Počítačový řídicí software pro centralizované monitorování a údržbu zařízení.

Toto je nejzávažnější negativní dopad nedostatku elektrolytu, který přímo ovlivňuje bezpečnost baterie a představuje jeden z primárních způsobů selhání baterií s nedostatečným{0}}elektrolytem. Hlavní příčinou lithiového pokovování je: nedostatek elektrolytu vede ke špatnému místnímu smáčení záporné elektrody, což má za následek nerovnoměrnou tvorbu filmu SEI. Lithiové ionty se nemohou správně usadit mezi grafitové vrstvy a mohou pouze ukládat kovové lithium na povrch záporné elektrody (tj. "lithium pokovování"), což způsobuje přímý kontakt mezi kladnými a zápornými elektrodami uvnitř baterie a spouští vnitřní zkrat.

Vnitřní zkrat okamžitě generuje velké množství tepla, což způsobí prudké zvýšení teploty baterie (okamžitě překročí 100 stupňů), což vede k tepelnému úniku. Vysoké teploty způsobují, že se elektrolyt prudce rozkládá a vytváří velké množství hořlavých a výbušných plynů (jako CO a CH4). Vnitřní tlak baterie prudce stoupne, což nakonec způsobí prasknutí a vytečení pouzdra baterie. Pokud se plyn dostane do kontaktu se vzduchem nebo pokud vnitřní teplota dosáhne bodu vznícení elektrolytu nebo materiálů elektrod, může se vznítit nebo dokonce explodovat. Navíc i bez vnitřního zkratu bude usazené kovové lithium reagovat s elektrolytem, ​​spotřebovávat elektrolyt i lithiové ionty, což dále urychluje degradaci výkonu baterie a bezpečnostní rizika. Při demontáži baterie s velmi nedostatečným elektrolytem lze dokonce přímo pozorovat kovové usazeniny lithia na povrchu záporné elektrody a je náchylná ke vznícení.

Nedostatek elektrolytu v lithiových bateriích není "menší závada", ale spíše způsobuje nevratné poškození baterie zevnitř, což má vliv na výkon, životnost a bezpečnost. Jeho dopad vykazuje charakteristiku „řetězové reakce“: nedostatečný elektrolyt → nedostatečné smáčení → zablokovaný transport iontů lithia → zvýšený vnitřní odpor → zvýšená tvorba tepla → rozklad elektrolytu → zhoršení nedostatečného elektrolytu → usazování lithia → vnitřní zkrat → požár a výbuch. Při skutečné výrobě a použití musí být množství použitého elektrolytu přísně kontrolováno, typicky přesně vypočítáno na základě parametrů, jako je pórovitost elektrody a objem baterie, aby se předešlo problémům s nedostatečným elektrolytem.

Pokud baterie vykazuje výrazné snížení dojezdu (úbytek kapacity přesahující 20 %), abnormální zahřívání během nabíjení a vybíjení, příliš vysoké nabíjecí napětí, příliš nízké vybíjecí napětí nebo prudký pokles kapacity během cyklování, může to znamenat nedostatek elektrolytu. Včasná kontrola a údržba jsou zásadní pro zabránění dalšímu poškození baterie nebo bezpečnostním incidentům. U velkých bateriových sad, jako jsou napájecí baterie a akumulátory energie, může nedostatek elektrolytu také ovlivnit stabilitu celého systému, což vyžaduje soustředěnou pozornost a prevenci.

Kontaktujte nyní