Анализ на причините за подуване на литиево-йонни батерии

Литиево-йонните батерии се използват широко поради дългия им живот и високия капацитет. С удължаването на времето за употреба обаче проблемите с подуването, незадоволителните показатели за безопасност и ускореното отслабване на цикъла стават все по-сериозни, което е причинило задълбочен анализ и потискане в литиевата батерия. ученето. Въз основа на експериментални изследвания и разработки, авторът разделя причините за подуване на литиевата батерия на две категории, едната е подуването, причинено от промяната в дебелината на полюсната част на батерията; другата е подуването, причинено от окисляването и разлагането на електролита, за да се получи газ. В различните батерийни системи водещите фактори за промяната в дебелината на батерията са различни. Например в акумулаторната батерия на литиевия титанат, основният фактор за набъбването е подуването на въздуха; в графитната анодна система дебелината на полюсната част и производството на газ оказват влияние върху подуването на акумулатора. Играйте промоционална роля.

1. Промяна в дебелината на електродния полюс

По време на използването на литиеви батерии дебелината на частите на електродните полюси ще се промени до известна степен, особено графитният отрицателен електрод. Според съществуващите данни литиевите батерии са склонни към набъбване след съхранение и циркулация при висока температура, а скоростта на нарастване на дебелината е около 6% до 20%. Скоростта на разширение на положителния електрод е само 4%, а скоростта на разширяване на отрицателния електрод е повече от 20%. Основната причина за подуването, причинено от увеличената дебелина на литиевата батерия, е същността на графита. Графитът с отрицателен електрод образува LiCx (LiC24, LiC12 и LiC6 и др.), Когато се поставя литий, и разстоянието между решетките се променя, което води до образуването на микроскопично вътрешно напрежение, което кара отрицателния електрод да набъбва. Фигурата по-долу е схематична диаграма на структурните промени на графитния отрицателен полюс по време на поставяне, зареждане и разреждане.

Разширяването на графитния отрицателен електрод се дължи главно на необратимо разширение след поставяне на литий. Тази част от разширението е свързана главно с размера на частиците, лепилото и структурата на полюсната част. Разширяването на отрицателния електрод кара сърцевината да се деформира, образувайки кухина между електрода и диафрагмата, образувайки микропукнатини в частиците с отрицателни електроди, разрушавайки и реорганизирайки мембраната на интерфейса на твърдия електролит (SEI), консумирайки електролита и влошавайки се изпълнението на цикъла. Има много фактори, които влияят върху дебелината на отрицателния полюс. Свойствата на лепилото и структурните параметри на стълба са двете най-важни.

Често използваното лепило за графитни отрицателни електроди е SBR. Различните лепила имат различен модул на еластичност и механична якост и имат различно въздействие върху дебелината на стълба. Силата на търкаляне след нанасяне на полюсната част също влияе върху дебелината на отрицателната полюсна част при използване на батерията. При едно и също напрежение, колкото по-голям е еластичният модул на лепилото, толкова по-малък е отскокът на полюса от физическото поставяне; по време на зареждане графитната решетка се разширява поради вмъкването на Li +; в същото време, поради деформацията на отрицателните електродни частици и SBR, вътрешното напрежение е напълно Освободете, накарайте скоростта на разширяване на отрицателния електрод да се покачи рязко, SBR е в етап на пластична деформация. Тази част от скоростта на разширение е свързана с модула на еластичност и якостта на разрушаване на SBR, в резултат на което колкото по-голям е модулът на еластичност и якост на разрушаване на SBR, толкова по-малко е необратимото разширение.

Когато добавеното количество SBR е несъвместимо, налягането върху полюса по време на валцуването ще бъде различно. Различните налягания причиняват известна разлика в остатъчното напрежение, генерирано от полюсната част. Колкото по-голямо е налягането, толкова по-голямо е остатъчното напрежение, което води до физическо разширяване на съхранението, пълно електрическо състояние и скоростта на разширяване на празното електрическо състояние се увеличава; колкото по-малко е съдържанието на SBR, толкова по-ниско е налягането по време на валцуването, толкова по-малка е степента на разширяване на физическото съхранение, пълното електрическо състояние и празното електрическо състояние в ранния етап; разширяването на отрицателния електрод кара сърцевината да се деформира и влияе върху отрицателния електрод. Степента на вмъкване на литий и скоростта на дифузия на Li + оказват сериозно влияние върху работата на цикъла на батерията.

2. Подуване на корема, причинено от производството на газ в батерията

Газът, генериран вътре в батерията, е друга важна причина за подуването на батерията. Независимо дали батерията се съхранява при стайна температура, високотемпературен цикъл или висока температура, тя ще доведе до различна степен на подуване и образуване на газ. Според текущите резултати от изследванията, същността на подуването на клетките се причинява от разлагането на електролита. Има два случая на електролитно разлагане. Единият е, че в електролита има примеси, като влага и метални примеси, които карат електролита да се разлага и да произвежда газ. Другото е, че електрохимичният прозорец на електролита е твърде нисък, което причинява разлагане по време на процеса на зареждане. Разтворителите като EC, DEC и др. Ще генерират свободни радикали след получаване на електрони. Директната последица от реакциите на свободните радикали е производството на нискокипящи въглеводороди, естери, етери и CO2.

След сглобяването на литиевата батерия по време на процеса на предварително формоване ще се генерира малко количество газ. Тези газове са неизбежни и са източник и на така наречената необратима загуба на капацитет на батерията. По време на първия процес на зареждане и разреждане, след като електроните достигнат отрицателния електрод от външната верига, те ще претърпят реакция на окисление-редукция с електролита на повърхността на отрицателния електрод, за да генерират газ. По време на този процес на повърхността на графитния отрицателен електрод се образува SEI. Тъй като дебелината на SEI се увеличава, електроните не могат да проникнат и да инхибират непрекъснатото окисляване и разлагане на електролита. За формирането на SEI вижте статията: Сухи стоки|Какво е SEI? Толкова въздействие върху литиевите батерии! По време на използването на батерията вътрешното производство на газ постепенно ще се увеличи. Причината е, че има примеси в електролита или прекомерна влага в батерията. Примесите в електролита трябва да бъдат внимателно отстранени. Неадекватният контрол на влагата може да бъде причинен от самия електролит, неправилната опаковка на батерията, навлизането на влага и счупването на ъглите. В допълнение, презареждането, преразреждането, злоупотребата и вътрешното късо съединение на батерията&# 39 също ще ускори скоростта на производство на газ в батерията&# 39, причинявайки повреда на батерията.

В различните системи степента на подуване на батерията е различна. В батерията на графитната анодна система основните причини за набъбване на газове са гореспоменатото образуване на SEI филм, прекомерна влага в клетката, необичаен процес на химическо преобразуване, лоша опаковка и др., Докато в анодната система на литиевия титанат метеоризмът на батерията е повече от графит / Батерийната система NCM е много по-сериозна. В допълнение към примесите, влагата и процесите в електролита, друга причина, различна от графитния анод, е, че литиевият титанат не може да образува SEI филм на повърхността си като батерия от графитна анодна система, за да инхибира реакцията на електролита. По време на процеса на зареждане и разреждане електролитът винаги е в пряк контакт с повърхността на Li4Ti5O12, което води до непрекъснато намаляване и разлагане на електричеството на повърхността на материала Li4Ti5O12, което може да е основната причина за метеоризма на батерията Li4Ti5O12. Основните компоненти на газа са H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 и т.н. Когато литиевият титанат се потопи само в електролита, се получава само CO2. След като се направи в батерия с NCM материали, произведените газове включват H2, CO2, CO и малко количество газообразни въглеводороди. По време на зареждане и разреждане се получава H2, а съдържанието на H2 в получения газ по същото време надвишава 50%. Това показва, че по време на процеса на зареждане и разреждане ще се генерира газ H2 и CO.

LiPF6 има следния баланс в електролита:

PF5 е силна киселина, която лесно причинява разлагането на карбонатите и количеството на PF5 се увеличава с повишаването на температурата. PF5 помага на електролита да се разложи, за да произведе CO2, CO и CxHy газ. Според свързани изследвания генерирането на H2 идва от следната вода в електролита, но съдържанието на вода в електролита обикновено е около 20 × 10-6, което допринася много малко за изхода на H2. Ву Кай от университета в Шанхай Jiaotong използва графит / NCM111 като батерия в експеримента си и заключи, че източникът на H2 е разграждането на карбоната под високо напрежение. Понастоящем има основно три решения за инхибиране на метеоризма на литиево-титанатните батерии. Първо, обработката и модификацията на LTO анодни материали, включително подобрени методи за подготовка и модификация на повърхността и др .; второ, разработването на електролити, които съответстват на LTO аноди, включително добавки, система с разтворители; трето, подобряване на технологията на батерията.