تحليل أسباب انتفاخ بطاريات الليثيوم أيون

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع نظرًا لعمرها الطويل وقدرتها العالية. ومع ذلك ، مع تمديد وقت الاستخدام ، أصبحت مشاكل التورم وأداء السلامة غير المرضي والتوهين المتسارع للدورة خطيرة بشكل متزايد ، مما تسبب في تحليل عميق وقمع في صناعة بطاريات الليثيوم. الدراسة. بناءً على تجربة البحث والتطوير التجريبية ، يقسم المؤلف أسباب تضخم بطارية الليثيوم إلى فئتين ، أحدهما هو التورم الناجم عن التغيير في سمك قطعة عمود البطارية ؛ والآخر هو التورم الناجم عن أكسدة وتحلل الإلكتروليت لإنتاج الغاز. في أنظمة البطاريات المختلفة ، تختلف العوامل الرئيسية لتغيير سمك البطارية. على سبيل المثال ، في بطارية نظام أنود تيتانات الليثيوم ، يكون العامل الرئيسي للتورم هو انتفاخ الهواء ؛ في نظام أنود الجرافيت ، يؤثر سمك قطعة القطب وإنتاج الغاز على انتفاخ البطارية. العب دورًا ترويجيًا.

1. تغيير في سمك قطعة القطب القطب

أثناء استخدام بطاريات الليثيوم ، سيتغير سمك قطب القطب إلى حد معين ، وخاصة القطب السالب للجرافيت. وفقًا للبيانات الموجودة ، تكون بطاريات الليثيوم عرضة للتورم بعد التخزين والدوران بدرجة حرارة عالية ، ومعدل نمو السماكة يتراوح بين 6٪ إلى 20٪ معدل تمدد القطب الموجب هو 4٪ فقط ، ومعدل تمدد القطب السالب أكثر من 20٪. السبب الأساسي للتورم الناجم عن زيادة سمك قطعة قطب بطارية الليثيوم هو جوهر الجرافيت. يشكل الجرافيت الكهربائي السالب LiCx (LiC24 و LiC12 و LiC6 ، وما إلى ذلك) عند إدخال الليثيوم ، ويتغير تباعد الشبكة ، مما يؤدي إلى تكوين إجهاد داخلي مجهري ، مما يتسبب في إنتاج القطب السالب للانتفاخ. الشكل أدناه هو رسم تخطيطي للتغيرات الهيكلية لقطعة القطب السالب من الجرافيت أثناء التنسيب والشحن والتفريغ.

تمدد القطب السالب للجرافيت ناتج بشكل رئيسي عن التمدد الذي لا رجعة فيه بعد إدخال الليثيوم. يرتبط هذا الجزء من التمدد بشكل أساسي بحجم الجسيمات والمادة اللاصقة وهيكل قطعة العمود. يؤدي تمدد القطب السالب إلى تشوه اللب ، وتشكيل تجويف بين القطب والحجاب الحاجز ، وتشكيل شقوق صغيرة في جزيئات القطب السالب ، وكسر وإعادة تنظيم غشاء واجهة الإلكتروليت الصلب (SEI) ، واستهلاك الإلكتروليت ، والتدهور أداء الدورة. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على سمك قطعة القطب السالب. تعتبر خصائص المادة اللاصقة ومعلمات الهيكل لقطعة العمود هي الأكثر أهمية.

المادة اللاصقة شائعة الاستخدام للأقطاب الكهربائية السالبة للجرافيت هي SBR المواد اللاصقة المختلفة لها معامل مرن وقوة ميكانيكية مختلفة ، ولها تأثيرات مختلفة على سمك قطعة العمود. تؤثر قوة التدحرج بعد طلاء قطعة العمود أيضًا على سمك قطعة القطب السالبة في استخدام البطارية. تحت نفس الضغط ، كلما زاد معامل مرونة المادة اللاصقة ، قل ارتداد قطعة العمود من الوضع المادي ؛ أثناء الشحن ، تتسع شبكة الجرافيت بسبب إدخال Li + ؛ في الوقت نفسه ، بسبب تشوه جزيئات القطب السالب و SBR ، يتم إطلاق الضغط الداخلي تمامًا ، مما يجعل معدل تمدد القطب السالب يرتفع بشكل حاد ، SBR في مرحلة تشوه البلاستيك. يرتبط هذا الجزء من معدل التمدد بمعامل المرونة وقوة الانكسار لـ SBR ، مما يؤدي إلى زيادة معامل المرونة وقوة الانكسار لـ SBR ، وكلما كان التمدد غير القابل للعكس أصغر.

عندما تكون كمية SBR المضافة غير متسقة ، فإن الضغط على قطعة العمود أثناء التدحرج سيكون مختلفًا. تسبب الضغوط المختلفة اختلافًا معينًا في الضغط المتبقي الناتج عن قطعة العمود. كلما زاد الضغط ، زاد الضغط المتبقي ، مما يؤدي إلى توسع التخزين المادي ، والحالة الكهربائية الكاملة وزيادة معدل تمدد الحالة الكهربائية الفارغة ؛ فكلما قل محتوى SBR ، انخفض الضغط أثناء التدحرج ، وصغر معدل تمدد التخزين المادي ، والحالة الكهربائية الكاملة والحالة الكهربائية الفارغة في المرحلة المبكرة ؛ يؤدي تمدد القطب السالب إلى تشوه القلب والتأثير على القطب السالب. تؤثر درجة إدخال الليثيوم ومعدل انتشار Li + تأثيرًا خطيرًا على أداء دورة البطارية.

2. الانتفاخ الناتج عن إنتاج غاز البطارية

الغاز المتولد داخل البطارية هو سبب مهم آخر لتورم البطارية. سواء تم تخزين البطارية في درجة حرارة الغرفة ، أو دورة درجة حرارة عالية ، أو درجة حرارة عالية ، فإنها ستنتج درجات مختلفة من التورم وإنتاج الغاز. وفقًا لنتائج البحث الحالية ، فإن سبب انتفاخ الخلايا هو تحلل الإلكتروليت. هناك حالتان من تحلل الإلكتروليت. إحداها أن هناك شوائب في الإلكتروليت ، مثل الرطوبة والشوائب المعدنية ، والتي تتسبب في تحلل الإلكتروليت وإنتاج الغاز. والآخر هو أن النافذة الكهروكيميائية للإلكتروليت منخفضة للغاية ، مما يسبب التحلل أثناء عملية الشحن. المذيبات مثل EC ، DEC ، وما إلى ذلك سوف تولد الجذور الحرة بعد الحصول على الإلكترونات. تتمثل النتيجة المباشرة لتفاعلات الجذور الحرة في إنتاج الهيدروكربونات منخفضة الغليان والإسترات والإيثرات وثاني أكسيد الكربون.

بعد تجميع بطارية الليثيوم ، سيتم توليد كمية صغيرة من الغاز أثناء عملية التشكيل المسبق. هذه الغازات حتمية وهي أيضًا مصدر ما يسمى بفقدان القدرة غير القابل للإصلاح للبطارية. أثناء عملية الشحن والتفريغ الأولى ، بعد أن تصل الإلكترونات إلى القطب السالب من الدائرة الخارجية ، فإنها ستخضع لتفاعل الأكسدة والاختزال مع الإلكتروليت على سطح القطب السالب لتوليد الغاز. خلال هذه العملية ، يتم تشكيل SEI على سطح القطب السالب للجرافيت. مع زيادة سمك SEI ، لا تستطيع الإلكترونات اختراق وتمنع الأكسدة المستمرة وتحلل الإلكتروليت. لتشكيل SEI ، راجع المقال: البضائع الجافة|ما هو SEI؟ الكثير من التأثير على بطاريات الليثيوم! أثناء استخدام البطارية ، سيزداد إنتاج الغاز الداخلي تدريجياً. والسبب هو وجود شوائب في الإلكتروليت أو رطوبة زائدة في البطارية. يجب إزالة الشوائب الموجودة في الإلكتروليت بعناية. قد يكون سبب التحكم غير الكافي في الرطوبة هو الإلكتروليت نفسه ، وتغليف البطارية غير المناسب ، وإدخال الرطوبة ، وانكسار الزوايا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الشحن الزائد للبطارية&، والإفراط في التفريغ ، وإساءة الاستخدام ، والدائرة القصيرة الداخلية ستؤدي أيضًا إلى تسريع سرعة إنتاج الغاز للبطارية&، مما يتسبب في فشل البطارية.

تختلف درجة انتفاخ البطارية في الأنظمة المختلفة. في بطارية نظام أنود الجرافيت ، تتمثل الأسباب الرئيسية لتضخم الغاز في تكوين غشاء SEI المذكور أعلاه ، والرطوبة الزائدة في الخلية ، وعملية التحويل الكيميائي غير الطبيعية ، والتعبئة السيئة ، وما إلى ذلك ، بينما في نظام أنود تيتانات الليثيوم ، انتفاخ البطن هو أكثر من الجرافيت / نظام بطارية NCM أكثر خطورة. بالإضافة إلى الشوائب والرطوبة والعملية في الإلكتروليت ، هناك سبب آخر يختلف عن أنود الجرافيت وهو أن تيتانات الليثيوم لا يمكن أن تشكل غشاء SEI على سطحه مثل بطارية نظام أنود الجرافيت لتثبيط تفاعل الإلكتروليت. أثناء عملية الشحن والتفريغ ، يكون المنحل بالكهرباء دائمًا على اتصال مباشر بسطح Li4Ti5O12 ، مما يؤدي إلى التخفيض والتحلل المستمر للكهرباء على سطح مادة Li4Ti5O12 ، والذي قد يكون السبب الجذري لانتفاخ بطارية Li4Ti5O12. المكونات الرئيسية للغاز هي H2 و CO2 و CO و CH4 و C2H6 و C2H4 و C3H8 وما إلى ذلك. عندما يتم غمر تيتانات الليثيوم في المنحل بالكهرباء وحده ، يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون فقط. بعد تحويله إلى بطارية بمواد NCM ، تشتمل الغازات المنتجة على H2 و CO2 و CO وكمية صغيرة من الهيدروكربونات الغازية. أثناء الشحن والتفريغ ، يتم إنتاج H2 ، ويتجاوز محتوى H2 في الغاز المنتج في نفس الوقت 50٪. يشير هذا إلى أنه سيتم توليد غاز H2 و CO أثناء عملية الشحن والتفريغ.

يحتوي LiPF6 على التوازن التالي في المنحل بالكهرباء:

PF5 هو حمض قوي يتسبب بسهولة في تحلل الكربونات وتزداد كمية PF5 مع زيادة درجة الحرارة. يساعد PF5 المنحل بالكهرباء على التحلل لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وغاز CxHy. وفقًا للدراسات ذات الصلة ، فإن توليد H2 يأتي من تتبع المياه في الإلكتروليت ، لكن محتوى الماء في الإلكتروليت عمومًا يبلغ حوالي 20 × 10-6 ، مما يساهم بشكل ضئيل جدًا في إنتاج H2. استخدم وو كاي من جامعة شنغهاي جياوتونغ الجرافيت / NCM111 كبطارية في تجربته وخلص إلى أن مصدر H2 هو تحلل الكربونات تحت الجهد العالي. في الوقت الحاضر ، هناك ثلاثة حلول أساسية لمنع انتفاخ البطن لبطاريات تيتانات الليثيوم. أولاً ، معالجة وتعديل مواد الأنود LTO ، بما في ذلك طرق التحضير المحسنة وتعديل السطح ، وما إلى ذلك ؛ ثانيًا ، تطوير الإلكتروليتات التي تتطابق مع الأنودات LTO ، بما في ذلك المواد المضافة ونظام المذيبات ؛ ثالثًا ، تحسين تقنية البطارية.