Analyse der Zyklenlebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie

Analyse der Zyklenlebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie

Bei einer idealen Lithium-Ionen-Batterie ändert sich das Kapazitätsgleichgewicht während eines Zyklus nicht, und die Anfangskapazität sollte in jedem Zyklus einen bestimmten Wert haben. In Wirklichkeit ist die Situation viel komplexer. Jede Nebenreaktion, die Lithium-Ionen freisetzen oder verbrauchen kann, kann zu einer Veränderung des Kapazitätsgleichgewichts der Batterie führen. Dies hat schwerwiegende Auswirkungen auf die Zyklusleistung der Batterie.

Es gibt viele Faktoren, die sich auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien auswirken, aber der Hauptgrund ist, dass die Anzahl der an der Energieübertragung beteiligten Lithium-Ionen abnimmt. Es ist zu beachten, dass die Gesamtmenge an Lithium in der Batterie nicht verringert wurde, aber es gibt weniger "aktivierte" Lithiumionen. Sie sind an anderen Stellen eingeschlossen oder der aktive Kanal ist blockiert und kann nicht frei am Prozess der zyklischen Ladung und Entladung teilnehmen.

Wenn wir herausfinden, wohin diese Lithiumionen, die an der Redoxreaktion hätten teilnehmen sollen, verschwunden sind, können wir den Mechanismus der Kapazitätsverringerung herausfinden und gezielte Maßnahmen ergreifen, um den Trend der Kapazitätsverringerung von Lithium-Ionen-Batterien zu verzögern und die Zykluslebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

1. Ablagerung von Metall-Lithium

Durch die vorangegangene Zerlegung wissen wir, dass Lithium in Lithium-Ionen-Batterien nicht in der Metallform von Lithium vorliegen sollte. Lithiumelemente liegen entweder in Form von Metalloxiden, Kohlenstoff-Lithium-Verbindungen oder Ionen vor.

Auf der Oberfläche der negativen Elektrode kann sich metallisches Lithium leicht ablagern. Wenn Lithiumionen zur Oberfläche der negativen Elektrode wandern, gelangen einige Lithiumionen aus bestimmten Gründen nicht in das aktive Material der negativen Elektrode, um stabile Verbindungen zu bilden, sondern lagern sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab, um nach der Aufnahme von Elektronen zu metallischem Lithium zu werden, und nehmen nicht mehr am anschließenden Zyklusprozess teil, was zu einer Verringerung der Kapazität führt.

Diese Situation wird in der Regel durch mehrere Gründe verursacht: Überladen der Kathode über die Abschaltspannung, hohe Ladegeschwindigkeit, unzureichendes negatives Material. Bei Überladung oder unzureichendem Kathodenmaterial kann die Kathode die aus der Kathode abgewanderten Lithiumionen nicht aufnehmen, was zur Ablagerung von metallischem Lithium führt. Bei einer hohen Ladegeschwindigkeit ist die Menge an Lithiumionen, die die negative Elektrode in kurzer Zeit erreicht, zu groß, was zu einer Blockierung und Ablagerung führt.

Die Ablagerung von metallischem Lithium verkürzt nicht nur die Lebensdauer des Zyklus, sondern führt auch zu einem positiven und negativen Kurzschluss, was zu ernsthaften Sicherheitsproblemen führt.

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, sollten wir die positiven und negativen Materialien vernünftig mischen und die Betriebsbedingungen von Lithium-Ionen-Batterien streng begrenzen, um ein Überschreiten der Betriebsgrenze zu verhindern. Ausgehend von der Vergrößerungsleistung kann natürlich auch die Zykluslebensdauer lokal verbessert werden.

2. Analyse der Kathodenmaterialien

Obwohl lithiumhaltige Metalloxide als Kathodenmaterialien ausreichend stabil sind, werden sie im Langzeitbetrieb weiter analysiert, und einige elektrochemische Inertstoffe (wie Co3O4, Mn2O3 usw.) und einige brennbare Gase werden sich ausbreiten, was das Kapazitätsgleichgewicht zwischen den Elektroden zerstört und einen irreversiblen Kapazitätsverlust verursacht.

Besonders deutlich wird diese Situation bei einer Überladung, und manchmal kommt es sogar zu einer heftigen Analyse und Gasfreisetzung, was nicht nur die Batteriekapazität beeinträchtigt, sondern auch ernsthafte Sicherheitsrisiken verursacht.

Neben der strikten Begrenzung der Ladeschlussspannung der Batterie ist auch die Verbesserung der chemischen und thermischen Stabilität des Kathodenmaterials ein gangbarer Weg, um den Rückgang der Zykluslebensdauer zu verringern.

3. SEI-Film auf der Elektrodenoberfläche

Wie bereits erwähnt, bildet der Elektrolyt bei Lithium-Ionen-Batterien mit Kohlenstoffmaterial als negativer Elektrode während des ersten Zyklus eine Schicht aus Festelektrolyt (SEI) auf der Elektrodenoberfläche. Verschiedene negative Elektrodenmaterialien weisen gewisse Unterschiede auf, aber die Bestandteile des SEI-Films bestehen hauptsächlich aus Lithiumcarbonat, Lithiumalkylester, Lithiumhydroxid usw. Natürlich gibt es auch Salzanalyseprodukte sowie einige Polymere.

Bei der Bildung der SEI-Membran werden Lithium-Ionen in der Batterie verbraucht, und die SEI-Membran ist nicht stabil. Sie wird während des Zyklus immer wieder brechen, neue Kohlenstoffoberflächen freilegen und dann mit Elektrolyten reagieren, um eine neue SEI-Membran zu bilden, was zu einem kontinuierlichen Verlust von Lithiumionen und Elektrolyten führt, was wiederum einen Rückgang der Batteriekapazität zur Folge hat. Der SEI-Film hat eine bestimmte Dicke. Obwohl Lithiumionen eindringen können, blockiert der SEI-Film einige Diffusionskanäle auf der Oberfläche der negativen Elektrode, was der Diffusion von Lithiumionen in das negative Elektrodenmaterial nicht förderlich ist, was wiederum die Batteriekapazität verringert.

4. Einfluss des Elektrolyten

Bei der kontinuierlichen Umwälzung wird der Elektrolyt aufgrund der begrenzten chemischen und thermischen Stabilität ständig analysiert und verflüchtigt, was zu einer Verringerung der Gesamtmenge des Elektrolyts, einer unzureichenden Infiltration der positiven und negativen Materialien, einer unvollständigen Lade- und Entladungsreaktion und damit zu einem Rückgang der tatsächlichen Nutzungskapazität führt.

Da das Oxidationspotenzial von Verunreinigungen im Allgemeinen niedriger ist als das positive Potenzial der Lithium-Ionen-Batterie, ist es einfach, auf der positiven Oberfläche zu oxidieren, und das Oxid wird auf der negativen Elektrode reduziert, wodurch kontinuierlich positive und negative aktive Substanzen verbraucht werden, was zu einer Selbstentladung führt, d.h. die Batterieentladung bei anormalem Gebrauch verändert.

Der Elektrolyt enthält auch eine gewisse Menge an Wasser, das mit dem Lifp6 im Elektrolyt reagiert, um LIF und HF zu verarbeiten. HF zerstört dann die SEI-Membran und erzeugt mehr LIF, was zur Ablagerung von LiF, zum kontinuierlichen Verbrauch aktiver Lithiumionen und zur Verringerung der Batterielebensdauer führt.

Aus der obigen Aufschlüsselung ist ersichtlich, dass der Elektrolyt einen sehr großen Einfluss auf die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie hat. Die Wahl eines geeigneten Elektrolyten wird die Lebensdauer der Batterie deutlich verbessern.

5. Abfallen von positiven und negativen Materialien

Die aktiven Substanzen der positiven und negativen Elektroden sind durch den Klebstoff auf dem Substrat fixiert. Im Langzeitbetrieb fallen die aktiven Substanzen der positiven und negativen Elektroden aufgrund des Versagens des Klebstoffs und der mechanischen Vibrationen der Batterie immer weiter ab und gelangen in die Elektrolytlösung, was zu einer kontinuierlichen Verringerung der aktiven Substanzen, die an der elektrochemischen Reaktion teilnehmen können, und zu einer kontinuierlichen Verringerung der Zykluslebensdauer der Batterie führt.

6. Externe Nutzungsfaktoren

Für Lithium-Ionen-Batterien gibt es vernünftige Betriebsbedingungen und -bereiche, wie z. B. die Entladeschlussspannung, das Entladeverhältnis, den Betriebstemperaturbereich, den Lagertemperaturbereich usw. In der Praxis kommt es jedoch häufig vor, dass sie über den zulässigen Rahmen hinaus missbraucht werden. Langfristiger, unangemessener Gebrauch führt zu irreversiblen chemischen Reaktionen im Inneren der Batterie, beschädigt den Batteriemechanismus, beschleunigt die Alterung der Batterie und führt zu einem schnellen Rückgang der Lebensdauer. In schwerwiegenden Fällen kann es auch zu Sicherheitsunfällen kommen.

7. Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

Der interne Grund für das Sicherheitsproblem der Lithium-Ionen-Batterie liegt darin, dass die Wärme im Inneren der Batterie unkontrollierbar ist und sich die Wärme kontinuierlich ansammelt, was zu einem kontinuierlichen Anstieg der Innentemperatur der Batterie führt, und die externe Leistung ist die heftige Energiefreisetzung wie Verbrennung und Explosion.

Die Batterie ist ein Energieträger mit hoher Dichte. Im Grunde genommen gibt es unsichere Faktoren. Je höher die Energiedichte ist, desto größer sind die Auswirkungen einer gewaltsamen Energiefreisetzung und desto ausgeprägter ist das Sicherheitsproblem. Benzin, Erdgas, Acetylen und andere Energieträger mit hoher Energiedichte haben die gleichen Probleme. Jedes Jahr kommt es zu unzähligen Sicherheitsunfällen.

Unterschiedliche elektrochemische Systeme, unterschiedliche Kapazitäten, Prozessparameter, Einsatzumgebung und Einsatzgrad haben einen großen Einfluss auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien.

Da die Batterie Energie speichert, steigt die Innentemperatur der Batterie bei der Energiefreisetzung weiter an, wenn die Geschwindigkeit der Wärmeeinleitung und -akkumulation größer ist als die Geschwindigkeit der Wärmeableitung. Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus hochaktiven Kathodenmaterialien und organischem Elektrolyt. Unter Hitzeeinwirkung sind sie sehr anfällig für heftige chemische Nebenreaktionen. Diese Reaktion erzeugt viel Wärme und führt sogar zu "außer Kontrolle geratener Hitze", was ein wichtiger Grund für gefährliche Unfälle mit Batterien ist.