Überblick über die Alterung von Lithium-Batterien

Überblick über die Alterung von Lithium-Batterien

Die Lebensdauer von Lithiumbatterien ist seit jeher einer der wichtigsten Parameter für Käufer von Elektrofahrzeugen. Wie wird eine Lithium-Batterie alt?

Alterung wird immer in Verbindung mit Versagen gesehen, aber genau genommen sind Alterung und Versagen zwei Konzepte. Die Alterung, die sich auf die Verschlechterung der Leistungsparameter der Batterie im Laufe der Zeit bezieht, ist ein quantitativer Prozess, und die Parameter beziehen sich hauptsächlich auf die maximal verfügbare Kapazität, den Innenwiderstand und die Leistung der Batterie. Ein Ausfall ist der Prozess, bei dem die Batterie in relativ kurzer Zeit ihre Funktionsfähigkeit vollständig verliert, und stellt eine qualitative Veränderung dar. Die Anhäufung von Alterung ist eine wichtige Ursache für das Versagen.

Faktoren, die die Alterung beeinflussen

Die optimale Betriebstemperatur der Batterie liegt bei 15℃-35℃, aber in der täglichen Anwendung ist es unmöglich, die Anforderungen der Batterie vollständig zu erfüllen, daher ist das häufigste Szenario, das die Batteriealterung beeinflusst, hohe Temperatur, niedrige Temperatur.

Neben der Umgebung spielen auch die Betriebsparameter der Batterie eine Rolle bei der Beschleunigung oder Verlangsamung der Alterung, so dass die Wahl der Parameter für das Laden und Entladen der Zellen einen erheblichen Einfluss hat.

Unter der Einwirkung der oben genannten externen Faktoren treten während der elektrochemischen Reaktion Batterieelektrodenmaterialien und andere Nebenreaktionen auf, die über das normale Laden und Entladen hinausgehen und zur Alterung führen.

Typischer Alterungsprozess

Die spezifischen Einzelheiten des Alterungsprozesses hängen eng mit der Wahl der positiven und negativen Elektrodenmaterialien, der Elektrolyte und des Diaphragmas zusammen, so dass in diesem Artikel der Alterungsprozess in Ontario erläutert wird und auf spezifische Materialien vorerst nicht näher eingegangen wird.

Alterung bei hoher Temperatur

50℃ bis 60℃ ist die Obergrenze des Arbeitstemperaturbereichs, den allgemeine Lithiumbatterien zulassen. Wenn die elektrochemische Reaktion bei einer höheren Temperatur durchgeführt wird, ist der Elektrolyt aktiver und anfälliger für Zersetzungsreaktionen, und die Zersetzungsprodukte verbinden sich mit dem Kathodenmaterial, was zum Verbrauch des Kathodenmaterials führt; das Material der Kathodenstruktur wird korrodiert, die Gitterstruktur bricht mangels ausreichender materieller Unterstützung zusammen, der leere Raum für Lithiumionen wird verringert, und die Fähigkeit der Kathode, Lithiumionen aufzunehmen, nimmt ab, wodurch die Batteriekapazität beeinträchtigt wird.

Gleichzeitig können die vom Kathodenmaterial reflektierten Produkte, die im Elektrolyten wandern, an der Oberfläche der positiven und negativen Elektrode haften. Die Elektrodenoberfläche wird von Substanzen bedeckt, die nicht am Lade- und Entladeprozess teilnehmen können, was den reibungslosen Ablauf der elektrochemischen Prozesse behindert und den Innenwiderstand der Zelle erhöht.

Die Auswirkungen des Hochtemperaturprozesses auf die Alterung treten hauptsächlich an der positiven Elektrode auf, und die Auswirkungen auf die negative Elektrode machen einen relativ geringen Prozentsatz aus.

Alterung bei niedrigen Temperaturen

Wenn die Umgebungstemperatur unter 0℃ sinkt, wird die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie durch niedrige Temperaturen erheblich beeinträchtigt.SIE-Film, ein Passivierungsfilm, der durch die Reaktion zwischen negativem Elektrodenmaterial und Elektrolyt bei der Kernbildung entsteht, hat eine schützende Wirkung auf das negative Elektrodenmaterial.

Durch die Verdickung des SEI-Films wird es für Lithiumionen schwieriger, die Filmschicht zu durchqueren und die Kathode zu erreichen, was in Verbindung mit der geringeren Konzentration an leitfähigen Lithiumionen den Innenwiderstand der Zelle erhöht.

Beim Laden bei niedrigen Temperaturen, insbesondere wenn der Ladestrom relativ hoch ist, kommt es an der negativen Elektrode zu einer weiteren Nebenreaktion, der Ausfällung von Lithiummonomeren. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Lithiumionenaktivität ab und lädt sich kaum auf, so dass sich überschüssige Lithiumionen um die negative Elektrode herum ansammeln und die SEI-Folie nicht durchqueren können, um die Einbettung der negativen Elektrode zu erreichen, und sich dann auf der Oberfläche der negativen Elektrode ablagern und eine reine Lithiumschicht bilden. Dieser Prozess tritt in der Regel beim Laden bei zu niedriger Temperatur auf und ist irreversibel. Mit der Häufung der Nutzungszyklen sammeln sich auch weiterhin Lithiummonolithe an, und die Dendriten wachsen weiter, so dass sich das Risiko einer Durchstoßung der Membran kumuliert.

Lithiumbatterien arbeiten bei niedrigen Temperaturen, das Alterungsproblem tritt hauptsächlich an der negativen Elektrode auf, die positive Seite reagiert auch, aber die Auswirkungen sind nicht signifikant.

Laden und Entladen mit hohen Strömen

Die Entladung mit einem Strom, der die Entladekapazität übersteigt, führt einerseits zu einem thermischen Effekt des Stroms und damit zu einem Temperaturanstieg in der Batterie, wodurch die Nebenwirkungen der Hochtemperaturalterung allmählich verstärkt werden; andererseits bringt der hohe Strom einen Überschuss an Lithiumionen mit sich, die in das Kathodenmaterial eingebettet werden müssen, was Auswirkungen auf die Stabilität des Materials hat.

Bei der Entladung mit hohen Strömen besteht das gleiche Problem der Wärmeerzeugung und der Stabilität des Kathodenmaterials. Gleichzeitig werden zu viele Lithiumionen zur negativen Elektrode transportiert, was die Kapazität der negativen Elektrode übersteigt und die Ablagerung von Lithiummonomeren zur Folge hat. Dies führt nicht nur zu einem Kapazitätsverlust, sondern auch zu einem erhöhten Risiko des thermischen Durchgehens bei langfristiger Nutzung, was zu einem noch größeren Schaden führt.

Überspannung, Unterspannung, Laden und Entladen

Das Laden mit Überspannung und das Entladen mit Unterspannung führen zu einer Phasenveränderung des Kathodenmaterials, wodurch sich der leere Raum für die Aufnahme von Lithiumionen verringert und die maximal verfügbare Kapazität der Zelle beeinträchtigt wird.

Selbstentladung

Die Selbstentladung der Batteriezelle kann jederzeit und überall stattfinden, wobei der Selbstentladungsprozess bei höheren Temperaturen und höherem Ladezustand stärker ausgeprägt ist. Die Selbstentladung führt zu einem gemeinsamen Verlust der reversiblen und irreversiblen Kapazität der Batterie. Die Produkte der Selbstentladung, die an der Elektrodenoberfläche haften, blockieren die Lithium-Ionen-Kanäle und verringern die Position der Lithium-Ionen-Einbettung, was wiederum zu einem dauerhaften Kapazitätsverlust der Zelle führt.

Alterung des Moduls

Lithium-Ionen-Batterien werden in Reihe und parallel geschaltet, um ein Modul zu bilden, und die Alterung des Moduls wird direkt durch die Alterung der einzelnen Zelle beeinflusst. Darüber hinaus führt die Alterung der Kerne zu einer Verschlechterung der Konsistenz zwischen den Kernen, wodurch sich die Alterung der Module auf der Grundlage der Alterung der Kerne verstärkt.

Neben dem Einfluss der Kernalterung wird das Modul auch durch Vibrationen, Oxidation und Korrosion der leitenden Teile beeinträchtigt, was den Alterungsgrad noch verstärkt. Die Verbindungen zwischen dem inneren Kern des Moduls und der Kupferschiene sowie zwischen der Kupferschiene und den Modulanschlüssen werden durch Löten oder Verschrauben in engem Kontakt gehalten, um sicherzustellen, dass der Widerstand innerhalb eines angemessenen Bereichs liegt. Durch die Zunahme des Verbindungswiderstands aufgrund von Vibrationen und Oxidation ändert sich die Verteilung des Widerstands im Modul. Diese Veränderungen können die Erfassungsergebnisse der Zellenspannung beeinträchtigen, was sich wiederum auf den Lade-/Entlade- und Ausgleichsprozess der Zelle auswirkt.

Die raue Umgebung und die überlasteten Arbeitsparameter machen den Alterungsprozess deutlicher und für die Forscher leichter zu beobachten. In der Tat verläuft der Alterungsprozess stillschweigend. Es gibt zwei Lebenszeiten für die Zellen, die kalendarische und die zyklische Lebensdauer. Anhand des Namens der Kalenderlebenszeit können wir die Schlaflosigkeit des Alterns spüren. Die Erforschung der Faktoren, die die Alterung elektrischer Kerne beeinflussen, zielt daher nur darauf ab, die beschleunigte Alterung durch unregelmäßigen Betrieb zu verringern.