تأثير محتوى الرطوبة على أداء البطارية

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على أداء بطاريات الليثيوم ، مثل نوع المادة ، وكثافة الضغط للأقطاب الموجبة والسالبة ، والرطوبة ، وكثافة سطح الطلاء ، وكمية الإلكتروليت. من بينها ، للرطوبة تأثير حيوي على أداء بطاريات الليثيوم أيون. الرطوبة هي عامل رئيسي يجب التحكم فيه بدقة أثناء عملية إنتاج بطاريات الليثيوم أيون. لا يمكن أن تتسبب الرطوبة الزائدة فقط في تحلل أملاح الليثيوم في الإلكتروليت ، وتتسبب في تلف المواد الإيجابية والسلبية ، بل إن للمجمع الحالي تأثير تآكل ومدمّر معين ، كما أنه يؤدي إلى انخفاض أداء الدورة وأداء السلامة من البطارية. ومع ذلك ، فإن كميات ضئيلة من الرطوبة لها أهمية مهمة. فيما يلي وصف لتأثير الرطوبة على أداء بطاريات الليثيوم.

1. مساوئ الرطوبة الزائدة

في عملية إنتاج بطارية النظام الثلاثي / الجرافيت ، يستخدم تحضير ملاط ​​القطب الموجب عمومًا نظام تشتت قائم على الزيت ، باستخدام PVDF كموثق و NMP كمذيب. عندما يواجه PVDF رطوبة زائدة ، فإنه سيشكل مادة هلامية ، مما يؤدي إلى ضعف السيولة وتسوية الملاط ، مما لا يؤدي إلى طلاء الملاط. لذلك ، عند تحضير الملاط ، يجب الانتباه إلى محتوى الرطوبة في المواد الخام ، وبيئة العمل ، وإدخال الرطوبة أثناء تشغيل الموظفين.

بالإضافة إلى التأثير الهائل على تحضير ملاط ​​بطارية الليثيوم ، فإن الرطوبة الزائدة ستؤدي إلى تحلل الإلكتروليت. الجواب كالتالي:

حمض الهيدروفلوريك هو حمض أكال بشكل خاص ، والذي يمكن أن يتسبب في أضرار جسيمة لمواد القطب الموجب والسالب والمجمعات الحالية لبطاريات الليثيوم ، ويؤدي في النهاية إلى مشاكل سلامة البطارية.

2. معنى المياه النزرة

ومع ذلك ، لا يعني ذلك أن الماء الأقل هو الأفضل في بطاريات الليثيوم. كما نعلم جميعًا ، فإن واجهة الإلكتروليت الصلبة (المعروفة باسم غشاء SEI) عبارة عن غشاء انتقائي منفذ يسمح لـ Li + بالمرور بحرية ، لكن جزيئات الإلكتروليت لا يمكنها المرور. تركيبة الإلكتروليت والإضافات النزرة لها تأثير كبير على إمكانات تشكيل فيلم SEI ، ودرجة الانضغاط ، وفقدان القدرة غير القابل للإصلاح للبطارية ، والمقاومة الداخلية للبطارية. الماء ، كمكون أثر في الإلكتروليت ، له تأثير معين على تكوين فيلم SEI وأداء بطارية بطاريات الليثيوم أيون.

ثالثًا ، تأثير الرطوبة على أداء بطاريات الليثيوم

في أنظمة المواد المختلفة ، يكون لمحتوى الرطوبة تأثير كبير على أداء البطارية. ومع ذلك ، فإن ما لم يتغير هو أن الرطوبة تؤثر على سعة الشحن والتفريغ الأولى ، والمقاومة الداخلية ، وعمر دورة البطارية ، وحجم بطارية بطاريات الليثيوم. خذ بطارية نظام أكسيد الليثيوم الكوبالت / الجرافيت كمثال.

1. التأثير على سعة الشحن والتفريغ الأولى

ترتبط الرطوبة بتكوين SEI في بطاريات الليثيوم وستؤثر حتمًا على أول فقد لا رجعة فيه لسعة بطاريات الليثيوم. كما هو موضح في الشكل 1:

الشكل 1. تأثير محتوى الرطوبة على شحن البطارية وسعة التفريغ

عندما تكون الرطوبة في البطارية أقل من 0.015٪ ، فإن سعة التفريغ الأولى للبطارية تفي بالمعيار الوطني ويكون التغيير صغيرًا ؛ عندما تكون رطوبة البطارية في حدود 0.015٪ إلى 0.04٪ ، تقل سعة التفريغ الأولى للبطارية مع زيادة الرطوبة في البطارية. عندما يكون محتوى الرطوبة في البطارية أقل من 0.015٪ ، تسود التفاعلات التالية.

يمكن أيضًا أن تتفاعل كربونات ألكيل الليثيوم الناتجة عن عملية الاختزال أحادي الإلكترون مع المياه النزرة في الإلكتروليت لتوليد كربونات الليثيوم.

2ROCO2 Li {{2}} H2O → Li2CO3 +CO2 +2ROH

عندما يتولد ثاني أكسيد الكربون ، يحدث تفاعل كيميائي جديد على سطح القطب السالب عند جهد منخفض:

2CO2+2Li+ +2e → Li2CO3 +CO

يمكن ملاحظة أن كمية مناسبة من الماء ستساعد في تكوين فيلم SEI مستقر وموحد وكثيف يهيمن عليه Li2CO3. عندما يغطي فيلم SEI القطب السالب بالكامل ، يتوقف التفاعل الذي لا رجعة فيه على الفور.

عندما يكون محتوى الرطوبة في حدود 0.0150٪ إلى 0.04٪ ، يزداد استهلاك أيونات الليثيوم ، وتقل سعة شحن وتفريغ البطارية ، مما يؤثر سلبًا عليها.

2. التأثير على المقاومة الداخلية للبطارية

تعتبر المقاومة الداخلية للبطارية من أهم الخصائص المميزة للبطارية. إنها معلمة مهمة تميز دورة الحياة وحالة تشغيل البطارية ، وهي المؤشر الرئيسي لصعوبة نقل الأيونات والإلكترونات في البطارية. تتأثر المقاومة الداخلية بشكل أساسي بعوامل مثل مواد البطارية وعمليات التصنيع وهيكل البطارية. كلما كانت المقاومة الداخلية أصغر ، كلما قل الجهد المشغول عند تفريغ البطارية ، وزادت الطاقة التي يمكن أن تنتجها. بالنسبة للبطاريات المخزنة لفترة طويلة ، ستزداد المقاومة الداخلية مع زيادة وقت التخزين ، وسيتأثر أداء البطارية بشكل كبير عندما تتجاوز المقاومة الداخلية قيمة معينة. نظرًا لأن محتوى الرطوبة له تأثير على جودة طبقة SEI في بطارية الليثيوم ، فإن المقدمة تؤثر على المقاومة الداخلية للبطارية.

في نظام المذيبات بالكهرباء EC / DMC / EMC ، يمكن أن تشكل كمية ضئيلة من الماء فيلم SEI قائم على Li2CO3 ومستقر وموحد وكثيف مع مقاومة داخلية منخفضة. عندما يكون محتوى الرطوبة أكثر من المحتوى المطلوب للنظام لتشكيل فيلم SE I ، يترسب POF3 و LiF على سطح فيلم SEI ، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية للبطارية. كما هو موضح في الصورة 2:

الشكل 2. تأثير محتوى الرطوبة على المقاومة الداخلية للبطارية

3. التأثير على تدهور قدرة البطارية

يؤثر محتوى الرطوبة على خصائص طبقة SEI للبطارية ، مثل التوحيد والضغط. عندما يكون غشاء SE I موحدًا وكثيفًا ، فليس من السهل تضمين مذيب الإلكتروليت في القطب السالب ، حيث يشغل مكان إدخال Li + ، لذلك يكون تدهور السعة قليلاً. على العكس من ذلك ، عندما لا يكون جزء فيلم SEI كثيفًا أو منتظمًا ، فمن السهل نسبيًا + أن يشغل مذيب الإلكتروليت وظائف إدخال Li. Li2CO3 هو أهم مكون لتشكيل فيلم SEI موحد وكثيف. في نظام المذيبات بالكهرباء EC / DMC / EMC ، يمكن لكمية مناسبة من الماء أن تعزز تكوين فيلم SEI على أساس Li2CO3. عندما يكون محتوى الرطوبة كافياً أو زائداً ، فإن SEI تكونت كلما كان الفيلم أكثر كثافة وتناسقاً ، كلما قل احتمال تضمين المذيب في أنود الكربون. هذا هو سبب انخفاض توهين سعة البطارية تدريجيًا مع زيادة محتوى الرطوبة عندما تكون الرطوبة في النطاق من 0.015٪ إلى 0.04٪. عندما يكون محتوى الرطوبة أقل من 0.015٪ ، يتم تشكيل فيلم SEI أكثر كثافة على سطح القطب السالب للحفاظ على تضمين المذيب في حالة توازن. لذلك ، يتم الاحتفاظ بسعة البطارية في حالة مستقرة نسبيًا.

الشكل 3. تأثير محتوى الرطوبة على معدل اضمحلال سعة البطارية

4. التأثير على سمك البطارية

الشكل 4. تأثير محتوى الرطوبة على سمك البطارية

يتضح من الشكل أنه مع زيادة محتوى الرطوبة ، يزداد سمك البطارية أيضًا. عندما يكون محتوى الرطوبة بسبب ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى المتولدة أثناء تكوين فيلم SEI. وعندما يكون الماء مفرطًا ، سيستمر الماء الزائد في التفاعل مع LiPF6 لإنتاج غاز HF. يرتبط إنتاج الغاز الداخلي للبطارية بسلامة البطارية. من أجل تجنب مشاكل انتفاخ البطن الخطيرة في البطارية ، يجب التحكم بدقة في الماء الموجود داخل البطارية.

المراجع:

[1] Do ron Aurbach، Yair E in-El.i JE lectrochem Soc [J]، 1995، 142 (6): 1746

[2] هوانغ فنغ (黄 峰) ، زو يون هونغ (周运鸿). Ba ttery B Imonthly (Battery) [J]، 2001، 31 (6): 290

[3] Zhang Hailin و He Xiangyun و Li Yan et al. تأثير رطوبة القطب على أداء بطاريات الليثيوم أيون ［J］. صناعة البطاريات ، 2013 ، 18 (1/2): 44-46.