سبب سعة بطارية الليثيوم 6s هو صيغة لفهمها!

بطارية الليثيوم 6s هي أسرع البطاريات الثانوية نموًا بعد بطاريات النيكل-كادميوم والنيكل-هيدروجين. تجعل خصائصها عالية الطاقة مستقبلها مشرقًا. ومع ذلك، فإن بطارية الليثيوم 6s ليست مثالية، وأكبر مشكلتها هي استقرار دورة الشحن والتفريغ. تلخص هذه الورقة وتحلل السبب المحتمل لانخفاض السعة في بطارية الليثيوم 6s: الشحن الزائد.

توازن سعة بطارية الليثيوم 6s

تمتلك بطارية الليثيوم 6s طاقات تداخل مختلفة عندما تحدث تفاعلات التداخل بين القطبين، ومن أجل الحصول على أفضل أداء للبطارية، يجب أن تحافظ نسبة السعة بين القطبين المضيفين على قيمة متوازنة.
في بطارية الليثيوم 6s، يتم التعبير عن توازن السعة كنسبة كتلة القطب الموجب إلى القطب السالب، وهي: γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
في الصيغة أعلاه، يشير C إلى السعة الكولومبية النظرية لقطب بطارية الليثيوم 6s، وتشير Δx و Δy إلى العدد الاستوكيومتري لأيونات الليثيوم المدمجة في القطب السالب والقطب الموجب لقطب الليثيوم على التوالي. يمكن ملاحظة من الصيغة أعلاه أن نسبة الكتلة المطلوبة للقطبين تعتمد على السعة الكولومبية المقابلة للقطبين وعدد أيونات الليثيوم القابلة للعكس لكل منهما.

تأثير عدم توازن سعة بطارية الليثيوم 6s

بشكل عام، تؤدي نسبة الكتلة الأصغر إلى استخدام غير كامل لمادة القطب السالب؛ قد تسبب نسبة الكتلة الأكبر خطرًا أمنيًا بسبب الشحن الزائد للقطب السالب. باختصار، عند نسبة الكتلة المثلى، يكون أداء القطب لبطارية الليثيوم 6s هو الأفضل.
بالنسبة لنظام بطارية أيون الليثيوم المثالي، لا يتغير توازن السعة خلال دورته، والسعة الأولية في كل دورة تكون قيمة معينة، لكن الوضع الفعلي أكثر تعقيدًا بكثير. أي تفاعل جانبي يمكن أن يولد أو يستهلك أيونات الليثيوم أو الإلكترونات قد يسبب تغيرًا في توازن السعة لبطارية الليثيوم 6s. بمجرد تغير حالة توازن السعة لبطارية الليثيوم 6s، يكون التغير غير قابل للعكس ويمكن أن يتراكم عبر دورات متعددة. يؤثر بشكل خطير على أداء بطارية الليثيوم 6s. في بطاريات الليثيوم 6s، بالإضافة إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث عند إزالة تداخل أيونات الليثيوم، هناك أيضًا عدد كبير من التفاعلات الجانبية، مثل تحلل الإلكتروليت، ذوبان المادة النشطة، وترسيب الليثيوم المعدني.

سبب عدم توازن سعة بطارية الليثيوم 6s: الشحن الزائد

1. تفاعل الشحن الزائد لقطب الجرافيت السالب:
عند شحن البطارية بشكل زائد، من السهل تقليل أيونات الليثيوم وترسيبها على سطح القطب السالب:
الليثيوم المترسب يغطي سطح القطب السالب، مما يمنع تداخل الليثيوم. هذا يؤدي إلى انخفاض كفاءة التفريغ وفقدان السعة بسبب:

① تقليل كمية الليثيوم القابل لإعادة التدوير؛
② الليثيوم المعدني المترسب يتفاعل مع المذيب أو الإلكتروليت الداعم لتكوين Li2CO3، LiF أو منتجات أخرى؛
③ عادةً ما يتكون الليثيوم المعدني بين القطب السالب والفاصل، مما قد يسد مسام الفاصل ويزيد من المقاومة الداخلية للبطارية؛

④ بسبب الطبيعة النشطة جدًا لليثيوم، من السهل أن يتفاعل مع الإلكتروليت ويستهلك الإلكتروليت، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة التفريغ وفقدان السعة.
الشحن السريع، كثافة التيار تكون كبيرة جدًا، القطب السالب يتعرض لاستقطاب شديد، وترسيب الليثيوم سيكون أكثر وضوحًا. من المحتمل حدوث ذلك عندما تكون مادة القطب الموجب النشطة زائدة مقارنة بمادة القطب السالب النشطة. ومع ذلك، في حالة معدل شحن مرتفع، قد يحدث ترسيب ليثيوم معدني حتى إذا كانت نسبة المواد النشطة الموجبة والسالبة طبيعية.

2. تفاعل الشحن الزائد للقطب الموجب
عندما تكون نسبة مادة القطب الموجب النشطة إلى مادة القطب السالب النشطة منخفضة جدًا، من المحتمل حدوث شحن زائد موجب
فقدان السعة الناجم عن الشحن الزائد للقطب الموجب يرجع بشكل رئيسي إلى تكوين مواد كيميائية كهربائية خاملة (مثل Co3O4، Mn2O3، إلخ)، والتي تدمر توازن السعة بين الأقطاب، وفقدان السعة يكون غير قابل للعكس.
(1) LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4
في الوقت نفسه، يتراكم الأكسجين الناتج عن تحلل مادة القطب الموجب في بطارية الليثيوم 6s المختومة بسبب غياب تفاعلات إعادة التركيب (مثل تكوين H2O) والغاز القابل للاشتعال الناتج عن تحلل الإلكتروليت، وستكون العواقب لا يمكن تصورها.
(2) λ-MnO2
يحدث تفاعل الليثيوم والمنغنيز عندما يتم إزالة الليثيوم بالكامل من أكسيد الليثيوم والمنغنيز: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3. يتأكسد الإلكتروليت عند الشحن الزائد
عندما يكون الضغط أعلى من 4.5 فولت، يتأكسد الإلكتروليت لتكوين مواد غير قابلة للذوبان (مثل Li2Co3) وغاز. هذه المواد غير القابلة للذوبان ستسد المسام الدقيقة للقطب وتعيق هجرة أيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى فقدان السعة أثناء التدوير.
العوامل التي تؤثر على معدل الأكسدة:
مساحة سطح مادة القطب الموجب
مادة جامع التيار
عامل التوصيل المضاف (الكربون الأسود، إلخ)
نوع ومساحة سطح الكربون الأسود
من بين الإلكتروليتات الأكثر استخدامًا، يُعتبر EC/DMC الأكثر مقاومة للأكسدة. يُعبر عن عملية الأكسدة الكهروكيميائية للمحلول عمومًا كالتالي: المحلول→منتج الأكسدة (غاز، محلول ومادة صلبة)+ne-

أكسدة أي مذيب ستزيد من تركيز الإلكتروليت، وتقلل من استقرار الإلكتروليت، وفي النهاية تؤثر على سعة البطارية. بافتراض استهلاك كمية صغيرة من الإلكتروليت في كل مرة يتم فيها الشحن، يلزم المزيد من الإلكتروليت أثناء تجميع البطارية. بالنسبة لحاوية ثابتة، هذا يعني تحميل كمية أقل من المادة النشطة، مما يؤدي إلى انخفاض السعة الأولية. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم إنتاج منتج صلب، فسيتم تشكيل طبقة سلبية على سطح القطب، مما يزيد من استقطاب البطارية ويقلل من جهد إخراج البطارية.

ما سبق هو المحتوى الكامل لتوازن السعة لبطارية الليثيوم 6s التي قدمناها لك اليوم. تحتوي بطارية الليثيوم 6s على طاقات تداخل مختلفة عند حدوث تفاعل التداخل بين القطبين، ومن أجل الحصول على أفضل أداء للبطارية، يجب أن يكون للقطبين الرئيسيين طاقات تداخل مختلفة. يجب الحفاظ على نسبة السعة عند قيمة متوازنة؛ تؤدي نسبة الكتلة الأصغر إلى استخدام غير كامل لمادة القطب السالب؛ قد تسبب نسبة الكتلة الأكبر خطرًا أمنيًا بسبب الشحن الزائد للقطب السالب. عند نسبة الكتلة المثلى، يكون أداء القطب في بطارية الليثيوم 6s هو الأفضل؛ السبب الرئيسي لعدم توازن السعة في بطارية الليثيوم 6s هو الشحن الزائد.
آمل أن يكون محتوى اليوم مفيدًا لك، وسيتم تحديث المزيد من المعلومات باستمرار، أراك في العدد القادم.