Waarom neemt de capaciteit van lithiumbatterijen af?

Positieve en negatieve elektroden, elektrolyt en separator zijn de belangrijke componenten van een lithium-ionbatterij. Lithium-insertie- en -extractiereacties vinden plaats aan de positieve en negatieve elektroden, en de hoeveelheid lithium die bij elke elektrode wordt ingevoegd, is de belangrijkste factor die de batterijcapaciteit beïnvloedt. Daarom is het handhaven van de capaciteitsbalans van de positieve en negatieve elektroden essentieel om optimale batterijprestaties te garanderen.

Over het algemeen gebruiken lithium-ionbatterijen een elektrolytoplossing die is samengesteld uit een organisch oplosmiddel en een elektrolyt (lithiumzout). Deze elektrolytoplossing moet voldoende geleidbaarheid en stabiliteit bezitten en compatibel zijn met de elektroden. Voor de separator is de prestatie ervan de belangrijkste factor die de interne weerstand en de interfacestructuur van de batterij bepaalt, wat direct van invloed is op het capaciteitsverlies. Een hoogwaardige separator zal de capaciteit en de algehele prestaties van de lithium-ionbatterij aanzienlijk verbeteren. Doorgaans is de belangrijkste functie van de separator het scheiden van de positieve en negatieve elektroden, het voorkomen van kortsluitingen veroorzaakt door contact ertussen, terwijl ook elektrolyt-ionen worden doorgelaten, waardoor de batterij-efficiëntie wordt gemaximaliseerd.

De chemische reacties in lithium-ionbatterijen omvatten niet alleen de redoxreacties tijdens lithium-ion-insertie en -extractie, maar ook nevenreacties zoals de vorming en vernietiging van de SEI-film op het oppervlak van de negatieve elektrode, elektrolytdecompositie en structurele veranderingen en oplossing van actieve materialen. Deze nevenreacties zijn allemaal oorzaken van capaciteitsverlies van lithium-ionbatterijen.

Capaciteitsverlies en -afname tijdens batterijcycli zijn onvermijdelijke verschijnselen. Daarom hebben wetenschappers uit verschillende vakgebieden in binnen- en buitenland de mechanismen van capaciteitsverlies van lithiumbatterijen grondig bestudeerd om de batterijcapaciteit en prestaties te verbeteren. Momenteel omvatten de belangrijkste factoren die leiden tot capaciteitsverlies van lithium-ionbatterijen de vorming van SEI-passiveringsfilms op de oppervlakken van de positieve en negatieve elektroden, lithiummetaalafzetting, oplossing van actieve elektrode-materialen, het optreden van redoxreacties of nevenreacties aan de anode en kathode, structurele veranderingen en faseovergangen. Momenteel worden de veranderingen in capaciteitsverlies van lithium-ionbatterijen en hun oorzaken nog steeds continu onderzocht.

Veel soorten actieve materialen kunnen worden gebruikt als negatieve elektroden in lithium-ionbatterijen, met koolstofgebaseerde, siliciumgebaseerde, tin-gebaseerde en lithiumtitanaat negatieve elektrode-materialen als de belangrijkste materialen. Verschillende soorten koolstofmaterialen vertonen verschillende elektrochemische eigenschappen. Grafiet, met zijn hoge geleidbaarheid, uitstekende gelaagde structuur en hoge kristalliniteit, is zeer geschikt voor lithiumintercalatie en -deintercalatie. Bovendien is grafiet betaalbaar en gemakkelijk verkrijgbaar, waardoor het veel wordt gebruikt.

Tijdens het eerste laden en ontladen van een lithium-ionbatterij ontleden oplosmiddelmoleculen op het grafietopper vlak, waardoor een passiveringsfilm ontstaat die SEI (Sediment Injection) wordt genoemd. Deze reactie leidt tot onomkeerbaar capaciteitsverlies. Tijdens overladen treedt lithiummetaalafzetting op het oppervlak van de negatieve elektrode op, vooral wanneer het actieve materiaal van de positieve elektrode in overmaat aanwezig is ten opzichte van het actieve materiaal van de negatieve elektrode. Lithiummetaalafzetting kan ook optreden onder omstandigheden met hoge snelheid.

Over het algemeen is de vorming van lithiummetaal dat leidt tot capaciteitsverlies in lithiumbatterijen voornamelijk te wijten aan het volgende:

Ten eerste, vermindert het de hoeveelheid cyclisch lithium in de batterij;

Ten tweede, reageert lithiummetaal met de elektrolyt of het oplosmiddel, waarbij andere bijproducten worden gevormd;
Ten derde, lithiummetaal wordt voornamelijk afgezet tussen de negatieve elektrode en de separator, waardoor poriënverstopping ontstaat en de interne weerstand toeneemt. Het mechanisme waarmee verschillende grafietmaterialen het capaciteitsverlies van lithium-ionbatterijen beïnvloeden, varieert. Natuurlijk grafiet heeft een hogere specifieke oppervlakte; daarom zullen zelfontladingsreacties leiden tot capaciteitsverlies in lithium-ionbatterijen. Bovendien heeft natuurlijk grafiet, als negatieve elektrode, een hogere elektrochemische weerstand dan synthetisch grafiet. Bovendien zijn factoren zoals de dissociatie van de gelaagde structuur van de negatieve elektrode tijdens het cycli, de dispersie van geleidende middelen tijdens de productie van de elektrode en de toename van de elektrochemische weerstand tijdens opslag allemaal belangrijke factoren die bijdragen aan capaciteitsverlies in lithium-ionbatterijen.

Overladen van de positieve elektrode treedt voornamelijk op wanneer het aandeel positief elektrode-materiaal te laag is, wat leidt tot capaciteitsimbalans tussen de elektroden en onomkeerbaar capaciteitsverlies in lithium-ionbatterijen veroorzaakt. Bovendien kunnen de co-existentie en continue accumulatie van zuurstof en brandbare gassen die vrijkomen bij de ontleding van het positieve elektrode-materiaal en de elektrolyt veiligheidsrisico's opleveren voor het gebruik van lithium-ionbatterijen.

ACEY-BCT506-512H batterij laad-ontlaad tester wordt gebruikt voor batterijvorming, capaciteitsmeting en prestatietest van parameters, enz. Het is een master-slave type batterijomvattend testsysteem dat is samengesteld uit een computer en een single-chip microcomputer. De structuur is geavanceerd, de prestaties zijn betrouwbaar, de bediening is handig, de efficiëntie is hoog en het heeft een extreem hoge prijs-prestatieverhouding. Het is een onmisbare productie-testapparatuur voor fabrikanten van lithiumbatterijen, fabrikanten van capaciteitsmeting en onderzoeksinstellingen.

Als de laadspanning van een lithium-ionbatterij te hoog is, zal dit oxidatie van de elektrolyt veroorzaken en enkele bijproducten genereren, die de microporiën van de elektrode verstoppen, de migratie van lithium-ionen belemmeren en zo veranderingen in het cyclische capaciteitsverlies veroorzaken. De stabiliteit van de elektrolyt is omgekeerd evenredig met de concentratie; hogere concentraties leiden tot lagere stabiliteit, wat de capaciteit van de lithium-ionbatterij beïnvloedt. Tijdens het laden wordt elektrolyt verbruikt, wat aanvulling vereist tijdens de assemblage, waardoor de hoeveelheid actief materiaal afneemt en de initiële capaciteit wordt beïnvloed.

De elektrolyt bestaat uit elektrolyt, oplosmiddel en additieven, en de eigenschappen ervan beïnvloeden de levensduur van de batterij, de specifieke capaciteit, de prestaties bij snelle lading/ontlading en de veiligheid. Decompositie van zowel de elektrolyt als het oplosmiddel veroorzaakt capaciteitsverlies. Tijdens de eerste laad-/ontlaadcyclus resulteert de vorming van een SEI-film op het oppervlak van de negatieve elektrode door oplosmiddelen en andere stoffen in onomkeerbaar capaciteitsverlies, wat onvermijdelijk is. De aanwezigheid van onzuiverheden zoals water of waterstoffluoride in de elektrolyt kan ertoe leiden dat de LiPF6-elektrolyt bij hogere temperaturen ontleedt, en de resulterende producten reageren met het positieve elektrode-materiaal, wat de batterijcapaciteit beïnvloedt.

Tegelijkertijd reageren sommige producten met het oplosmiddel, wat de stabiliteit van de SEI-film op het oppervlak van de negatieve elektrode beïnvloedt en de prestaties van de lithium-ionbatterij degradeert. Bovendien, als de producten van elektrolytdecompositie incompatibel zijn met de elektrolyt, zullen ze de poriën van de positieve elektrode verstoppen tijdens migratie, wat leidt tot capaciteitsverlies van de batterij. Over het algemeen zijn het optreden van nevenreacties tussen de elektrolyt en de positieve en negatieve elektroden van de batterij, evenals de resulterende bijproducten, de belangrijkste factoren die capaciteitsverlies van de batterij veroorzaken.

Lithium-ionbatterijen ervaren over het algemeen capaciteitsverlies, een proces dat bekend staat als zelfontlading, dat is onderverdeeld in omkeerbaar en onomkeerbaar capaciteitsverlies. De oplosmiddeloxidatiesnelheid beïnvloedt direct de zelfontladingssnelheid. De actieve materialen van de positieve en negatieve elektroden kunnen tijdens het laden reageren met de opgeloste stof, wat leidt tot lithium-ionmigratie, capaciteitsimbalans en onomkeerbaar verlies. Daarom kan het verminderen van het oppervlak van het actieve materiaal het capaciteitsverliespercentage verminderen, en de oplosmiddel decompositie beïnvloedt de opslagduur van de batterij. Separatorlekkage kan ook capaciteitsverlies veroorzaken, maar dit is minder waarschijnlijk. Als zelfontlading lang aanhoudt, zal dit leiden tot lithiummetaalafzetting, wat verder leidt tot capaciteitsverlies in zowel de positieve als de negatieve elektroden.

Tijdens het laden is het actieve materiaal van de positieve elektrode van de batterij instabiel, waardoor het reageert met de elektrolyt en de batterijcapaciteit wordt beïnvloed. Onder de factoren die de batterijcapaciteit beïnvloeden, zijn structurele defecten in het kathodemateriaal, een te hoge laadpotentiaal en het koolstofzwartgehalte de belangrijkste factoren.

Spinel LiMn2O4 is overvloedig en goedkoop in mijn land, bezit goede thermische stabiliteit en is een primair materiaal voor batterijkathodes. Opslag van LiMn2O4-kathodes bij hoge temperaturen en tijdens batterij laad-ontlaadcycli leiden tot capaciteitsverlies, voornamelijk vanwege de volgende factoren: Ten eerste, onder omstandigheden met hoge spanning, vinden elektrochemische reacties plaats in de elektrolyt, over het algemeen boven 4,0V; ten tweede, Mn in LiMn2O4 lost op in de elektrolyt, waardoor een disproportioneringsreactie ontstaat die de kristalstructuur van het kathodemateriaal verstoort.

Aangezien koolstofzwart een inactieve stof is en niet deelneemt aan de ontladingsreactie, zal een te hoog koolstofzwartgehalte in het kathodemateriaal de sterkte en capaciteit ervan beïnvloeden. Daarom moet het op passende wijze worden toegevoegd. Bovendien genereert de transportdrager een katalytische stof op het oppervlak van koolstofzwart, die de ontledingssnelheid van metaalionen kan verhogen en de oplossing van actieve stoffen effectief kan bevorderen.

Acey New Energy is gespecialiseerd in onderzoek en productie van hoogwaardige apparatuur voor lithium-ionbatterijen. Als u geïnteresseerd bent in lithium batterij capaciteit tester, neem dan op elk moment contact met ons op.