הסיבה לקיבולת של סוללת ליתיום 6s היא נוסחה להבנה!

סוללת ליתיום 6s היא הסוללה המשנית הצומחת במהירות הגבוהה ביותר לאחר סוללות ניקל-קדמיום וניקל-מימן. תכונות האנרגיה הגבוהה שלה מעניקות לה עתיד מזהיר. עם זאת, סוללת הליתיום 6s אינה מושלמת, והבעיה הגדולה ביותר שלה היא יציבות מחזור הטעינה-פריקה. מאמר זה מסכם ומנתח את הסיבה האפשרית לירידת הקיבולת של סוללת ליתיום 6s: טעינה יתר.

איזון קיבולת סוללת ליתיום 6s

לסוללת ליתיום 6s יש אנרגיות אינטרקלציה שונות כאשר מתרחשת תגובת האינטרקלציה בין שתי האלקטרודות, וכדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר של הסוללה, יחס הקיבולת של שתי האלקטרודות המארחות צריך לשמור על ערך מאוזן.
בסוללת ליתיום 6s, איזון הקיבולת מבוטא כיחס המסה של האלקטרודה החיובית לאלקטרודה השלילית, כלומר: γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
בנוסחה שלמעלה, C מתייחס לקיבולת הקולומבית התיאורטית של אלקטרודת סוללת הליתיום 6s, ו-Δx ו-Δy מתייחסים למספר הסטוכיומטרי של יוני הליתיום החודרים לאלקטרודה השלילית ולאלקטרודה החיובית של אלקטרודת הליתיום, בהתאמה. ניתן לראות מהנוסחה שלמעלה כי יחס המסה הנדרש של שני הקטבים תלוי בקיבולת הקולומבית המתאימה של שני הקטבים ובמספר יוני הליתיום ההפיכים שלהם.

השפעת חוסר האיזון בקיבולת של סוללת ליתיום 6s

באופן כללי, יחס מסה קטן יותר מוביל לשימוש לא מלא בחומר האלקטרודה השלילית; יחס מסה גדול יותר עלול לגרום לסיכון בטיחותי עקב עודף טעינה של האלקטרודה השלילית. בקיצור, ביחס המסה המותאם, ביצועי האלקטרודה של סוללת הליתיום 6s הם הטובים ביותר.
למערכת סוללת Li-ion אידיאלית, איזון הקיבולת אינו משתנה במהלך המחזור שלה, והקיבולת ההתחלתית בכל מחזור היא ערך מסוים, אך המצב בפועל מורכב בהרבה. כל תגובת צד שיכולה לייצר או לצרוך יוני ליתיום או אלקטרונים עלולה לגרום לשינוי באיזון הקיבולת של סוללת הליתיום 6s. ברגע שמצב איזון הקיבולת של סוללת הליתיום 6s משתנה, השינוי הוא בלתי הפיך ויכול להצטבר לאורך מספר מחזורים. הדבר משפיע באופן חמור על ביצועי סוללת הליתיום 6s. בסוללות ליתיום 6s, בנוסף לתגובות החמצון-חיזור המתרחשות כאשר יוני הליתיום מוסרים, קיימות גם תגובות צד רבות, כגון פירוק האלקטרוליט, התמסות חומר הפעיל והצטברות ליתיום מתכתי.

סיבת חוסר איזון בקיבולת של סוללת ליתיום 6s: עודף טעינה

1. תגובת עודף טעינה של אלקטרודת הגרפיט השלילית:
כאשר הסוללה טעונה יתר על המידה, יוני הליתיום נוטים להיות מחוזרים ומצטברים על פני השטח של האלקטרודה השלילית:
הליתיום שהצטבר מצפה את פני השטח של האלקטרודה השלילית, חוסם את האינטרקלציה של הליתיום. זה גורם לירידה ביעילות הפריקה ואובדן קיבולת עקב:

① הפחתת כמות הליתיום הניתנת למחזור;
② הליתיום המתכתי שהצטבר מגיב עם הממס או האלקטרוליט התומך ליצירת Li2CO3, LiF או תוצרים אחרים;
③ ליתיום מתכתי בדרך כלל נוצר בין האלקטרודה השלילית למפריד, מה שעלול לחסום את הנקבוביות של המפריד ולהגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה;

④ בשל הטבע הפעיל מאוד של הליתיום, הוא מגיב בקלות עם האלקטרוליט וגורם לצריכת האלקטרוליט, מה שמוביל לירידה ביעילות הפריקה ואובדן קיבולת.
טעינה מהירה, צפיפות הזרם גבוהה מדי, האלקטרודה השלילית מקוטבת בצורה חמורה, והצטברות הליתיום תהיה בולטת יותר. זה עלול להתרחש כאשר חומר הפעיל של האלקטרודה החיובית מופרז ביחס לחומר הפעיל של האלקטרודה השלילית. עם זאת, במקרה של קצב טעינה גבוה, הצטברות ליתיום מתכתי עלולה להתרחש גם אם היחס בין החומרים הפעילים החיוביים והשליליים הוא תקין.

2. תגובת עודף טעינה של האלקטרודה החיובית
כאשר היחס בין חומר הפעיל של האלקטרודה החיובית לחומר הפעיל של האלקטרודה השלילית נמוך מדי, סביר שיתרחש עודף טעינה חיובי.
אובדן הקיבולת הנגרם מעודף טעינה של האלקטרודה החיובית נובע בעיקר מהיווצרות של חומרים אלקטרוכימיים לא פעילים (כגון [Co3O4＋O2(g)], Mn2O3 וכו'), ההורסים את האיזון בקיבולת בין האלקטרודות, ואובדן הקיבולת הוא בלתי הפיך.
(1) LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4
במקביל, החמצן שנוצר מפירוק חומר האלקטרודה החיובית בסוללת ליתיום 6s האטומה יצטבר באותו זמן עקב היעדר תגובות רקומבינציה (כגון יצירת H2O) והגז הדליק שנוצר מפירוק האלקטרוליט, וההשלכות יהיו בלתי נתפסות.
(2) λ-MnO2
תגובה של ליתיום-מנגן מתרחשת כאשר תחמוצת הליתיום-מנגן מנותקת לחלוטין מליתיום: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3. האלקטרוליט מחומצן בעת טעינה יתר
כאשר הלחץ גבוה מ-4.5V, האלקטרוליט יחומצן ליצירת חומרים בלתי מסיסים (כגון Li2Co3) וגז. חומרים בלתי מסיסים אלו יחסמו את המיקרו-נקבוביות של האלקטרודה ויחסמו את ההגירה של יוני הליתיום, מה שיגרום לאובדן קיבולת במהלך המחזור.
גורמים המשפיעים על קצב החמצון:
שטח הפנים של חומר האלקטרודה החיובית
חומר אוסף הזרם
תווסף חומר מוליך (פחם שחור, וכו׳)
סוג ושטח הפנים של הפחם השחור
מבין האלקטרוליטים הנפוצים יותר, EC/DMC נחשב כבעל עמידות החמצון הגבוהה ביותר. תהליך החמצון האלקטרוכימי של התמיסה מתואר בדרך כלל כך: תמיסה→מוצר חמצון (גז, תמיסה וחומר מוצק)+ne-

חמצון של כל ממס יגביר את ריכוז האלקטרוליט, יפחית את יציבות האלקטרוליט, ולבסוף ישפיע על קיבולת הסוללה. בהנחה שכמות קטנה של אלקטרוליט נצרכת בכל טעינה, נדרש יותר אלקטרוליט במהלך הרכבת הסוללה. עבור מיכל קבוע, משמעות הדבר היא שטעינה של כמות קטנה יותר של חומר פעיל, מה שמוביל לירידה בקיבולת ההתחלתית. בנוסף, אם נוצר מוצר מוצק, ייווצר סרט פסיבציה על פני השטח של האלקטרודה, מה שיגביר את הקיטוב של הסוללה ויקטין את מתח היציאה שלה.

הנ"ל הוא כל התוכן של איזון הקיבולת של סוללת ליתיום 6s שהובא לך היום. לסוללת ליתיום 6s יש אנרגיות אינטרקלציה שונות כאשר מתרחשת תגובת אינטרקלציה בין שני האלקטרודות, וכדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר של הסוללה, לאלקטרודות המארחות יש אנרגיות אינטרקלציה שונות. יחס הקיבולת צריך להישמר בערך מאוזן; יחס מסה קטן יותר מוביל לשימוש לא מלא בחומר האלקטרודה השלילית; יחס מסה גדול יותר עלול לגרום לסיכון בטיחותי עקב טעינה יתר של האלקטרודה השלילית. ביחס המסה המותאם, ביצועי האלקטרודה של סוללת הליתיום 6s הם הטובים ביותר; הסיבה העיקרית לאי איזון הקיבולת של סוללת הליתיום 6s היא טעינה יתר.
אני מקווה שתוכן היום מועיל עבורך, מידע נוסף יתעדכן באופן רציף, נתראה בגיליון הבא.