Powód pojemności baterii litowej 6s to wzór do zrozumienia!

6s lithium battery jest najszybciej rozwijającą się baterią wtórną po bateriach niklowo-kadmowych i niklowo-wodorowych. Jej właściwości o wysokiej energii sprawiają, że jej przyszłość wygląda obiecująco. Jednak bateria litowa 6s nie jest doskonała, a jej największym problemem jest stabilność cyklu ładowania-rozładowania. Niniejszy artykuł podsumowuje i analizuje możliwą przyczynę spadku pojemności baterii litowej 6s: przeładowanie.

Równowaga pojemności baterii litowej 6s

Bateria litowa 6s ma różne energie interkalacji, gdy reakcja interkalacji zachodzi między dwoma elektrodami, a aby uzyskać najlepszą wydajność baterii, stosunek pojemności dwóch elektrod gospodarzy powinien utrzymywać zrównoważoną wartość.
W baterii litowej 6s równowaga pojemności wyrażana jest jako stosunek masy elektrody dodatniej do elektrody ujemnej, mianowicie: γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
W powyższym wzorze C odnosi się do teoretycznej pojemności kulombowej elektrody baterii litowej 6s, a Δx i Δy odnoszą się odpowiednio do stechiometrycznej liczby jonów litu osadzonych w elektroda ujemnej i elektroda dodatniej baterii litowej. Z powyższego wzoru wynika, że wymagana masa stosunku dwóch biegunów zależy od odpowiadającej pojemności kulombowej obu biegunów oraz liczby ich odpowiednich odwracalnych jonów litu.

Wpływ nierównowagi pojemności baterii litowej 6s

Ogólnie rzecz biorąc, mniejszy stosunek masy prowadzi do niepełnego wykorzystania materiału elektrody ujemnej; większy stosunek masy może powodować zagrożenie bezpieczeństwa z powodu przeładowania elektrody ujemnej. Krótko mówiąc, przy zoptymalizowanym stosunku masy wydajność elektrody baterii litowej 6s jest najlepsza.
Dla idealnego systemu baterii litowo-jonowej równowaga pojemności nie zmienia się podczas cyklu, a początkowa pojemność w każdym cyklu ma określoną wartość, jednak rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana. Każda reakcja uboczna, która może generować lub zużywać jony litu lub elektrony, może powodować zmianę równowagi pojemności baterii litowej 6s. Gdy stan równowagi pojemności baterii litowej 6s ulega zmianie, zmiana ta jest nieodwracalna i może się kumulować przez wiele cykli. Poważnie wpływa to na wydajność baterii litowej 6s. W bateriach litowych 6s, oprócz reakcji redoks zachodzących podczas deinterkalacji jonów litu, występuje także wiele reakcji ubocznych, takich jak rozkład elektrolitu, rozpuszczanie materiału aktywnego oraz osadzanie metalicznego litu.

Przyczyna nierównowagi pojemności baterii litowej 6s: przeładowanie

1. Reakcja przeładowania grafitowej elektrody ujemnej:
Gdy bateria jest przeładowana, jony litu łatwo ulegają redukcji i osadzają się na powierzchni elektrody ujemnej:
Osadzony lit pokrywa powierzchnię elektrody ujemnej, blokując interkalację litu. Skutkuje to obniżeniem wydajności rozładowania i utratą pojemności z powodu:

① Zmniejszenie ilości litu możliwego do odzyskania;
② Osadzony metaliczny lit reaguje z rozpuszczalnikiem lub elektrolitem wspomagającym, tworząc Li2CO3, LiF lub inne produkty;
③ Metaliczny lit zwykle tworzy się między elektrodą ujemną a separatorem, co może zablokować pory separatora i zwiększyć wewnętrzny opór baterii;

④ Ze względu na bardzo aktywną naturę litu, łatwo reaguje on z elektrolitem i zużywa elektrolit, co skutkuje obniżeniem wydajności rozładowania i utratą pojemności.
Szybkie ładowanie, gęstość prądu jest zbyt duża, elektroda ujemna jest silnie spolaryzowana, a osadzanie litu będzie bardziej widoczne. Może to wystąpić, gdy aktywny materiał elektrody dodatniej jest nadmierny w stosunku do aktywnego materiału elektrody ujemnej. Jednak przy wysokiej szybkości ładowania osadzanie metalicznego litu może wystąpić nawet przy normalnym stosunku aktywnych materiałów dodatnich i ujemnych.

2. Reakcja przeładowania elektrody dodatniej
Gdy stosunek aktywnego materiału elektrody dodatniej do aktywnego materiału elektrody ujemnej jest zbyt niski, prawdopodobne jest wystąpienie przeładowania elektrody dodatniej.
Utrata pojemności spowodowana przeładowaniem elektrody dodatniej wynika głównie z powstawania elektrochemicznie obojętnych substancji (takich jak [Co3O4＋O2(g)], Mn2O3 itp.), które niszczą równowagę pojemności między elektrodami, a utrata pojemności jest nieodwracalna.
(1) LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4
Jednocześnie tlen powstający w wyniku rozkładu materiału elektrody dodatniej w zamkniętej baterii litowej 6s będzie się jednocześnie gromadził z powodu braku reakcji rekombinacji (takich jak powstawanie H2O) oraz łatwopalnego gazu powstającego w wyniku rozkładu elektrolitu, a konsekwencje będą nie do wyobrażenia.
(2) λ-MnO2
Reakcja litu z manganem zachodzi, gdy tlenek litu-manganu jest całkowicie odlitowany: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3. Elektrolit ulega utlenianiu podczas przeładowania
Gdy ciśnienie jest wyższe niż 4,5V, elektrolit ulega utlenianiu, tworząc nierozpuszczalne substancje (takie jak Li2Co3) i gaz. Te nierozpuszczalne substancje zatykają mikropory elektrody i utrudniają migrację jonów litu, co skutkuje utratą pojemności podczas cykli.
Czynniki wpływające na szybkość utleniania:
Powierzchnia materiału elektrody dodatniej
Materiał kolektora prądu
Dodany środek przewodzący (czarny węgiel itp.)
Rodzaj i powierzchnia czarnego węgla
Wśród częściej stosowanych elektrolitów, EC/DMC uważany jest za mający najwyższą odporność na utlenianie. Proces elektrochemicznego utleniania roztworu jest zwykle wyrażany jako: roztwór→produkt utleniania (gaz, roztwór i substancja stała)+ne-

Utlenianie jakiegokolwiek rozpuszczalnika zwiększy stężenie elektrolitu, zmniejszy stabilność elektrolitu i ostatecznie wpłynie na pojemność baterii. Zakładając, że niewielka ilość elektrolitu jest zużywana za każdym razem podczas ładowania, podczas montażu baterii potrzebna jest większa ilość elektrolitu. Dla stałego pojemnika oznacza to, że załadowana jest mniejsza ilość substancji czynnej, co skutkuje spadkiem początkowej pojemności. Ponadto, jeśli powstanie produkt stały, na powierzchni elektrody utworzy się warstwa pasywacyjna, która zwiększy polaryzację baterii i obniży napięcie wyjściowe baterii.

Powyżej znajduje się cała zawartość dotycząca bilansu pojemności 6s baterii litowej przedstawiona dzisiaj. Bateria litowa 6s ma różne energie interkalacji, gdy reakcja interkalacji zachodzi między dwoma elektrodami, a aby uzyskać najlepszą wydajność baterii, dwie elektrody gospodarza mają różne energie interkalacji. Stosunek pojemności powinien być utrzymany na zrównoważonym poziomie; mniejszy stosunek masy prowadzi do niepełnego wykorzystania materiału elektrody ujemnej; większy stosunek masy może powodować zagrożenie bezpieczeństwa z powodu przeładowania elektrody ujemnej. Przy zoptymalizowanym stosunku masy wydajność elektrody baterii litowej 6s jest najlepsza; główną przyczyną nierównowagi pojemności baterii litowej 6s jest przeładowanie.
Mam nadzieję, że dzisiejsza zawartość jest dla Ciebie pomocna, więcej informacji będzie na bieżąco aktualizowanych, do zobaczenia w następnym numerze.