I. Analyse du phénomène de déclin de capacité des batteries lithium-ion
Les électrodes positive et négative, l'électrolyte et le séparateur sont les composants importants d'une batterie lithium-ion. Les réactions d'insertion et d'extraction du lithium se produisent aux électrodes positive et négative, et la quantité de lithium insérée à chaque électrode est le principal facteur affectant la capacité de la batterie. Par conséquent, le maintien de l'équilibre de capacité des électrodes positive et négative est essentiel pour garantir des performances optimales de la batterie.
En général, les batteries lithium-ion utilisent une solution électrolytique composée d'un solvant organique et d'un électrolyte (sel de lithium). Cette solution électrolytique doit posséder une conductivité et une stabilité suffisantes, et être compatible avec les électrodes. Pour le séparateur, ses performances sont le principal facteur déterminant la résistance interne de la batterie et la structure de l'interface, affectant directement la dégradation de la capacité. Un séparateur de haute qualité améliorera considérablement la capacité et les performances globales de la batterie lithium-ion. Typiquement, le séparateur a pour fonction principale de séparer les électrodes positive et négative, empêchant les courts-circuits causés par leur contact, tout en permettant le passage des ions électrolytiques, maximisant ainsi l'efficacité de la batterie.
Les réactions chimiques dans les batteries lithium-ion comprennent non seulement les réactions d'oxydoréduction lors de l'insertion et de l'extraction des ions lithium, mais aussi des réactions secondaires telles que la formation et la destruction du film SEI à la surface de l'électrode négative, la décomposition de l'électrolyte, et les changements structurels et la dissolution des matériaux actifs. Ces réactions secondaires sont toutes des causes de la dégradation de la capacité des batteries lithium-ion.
La dégradation et la perte de capacité lors du cyclage de la batterie sont des phénomènes inévitables. Par conséquent, afin d'améliorer la capacité et les performances de la batterie, des chercheurs de divers domaines au pays et à l'étranger ont étudié en profondeur les mécanismes de perte de capacité des batteries au lithium. Actuellement, les principaux facteurs causant la dégradation de la capacité des batteries lithium-ion comprennent la formation de films de passivation SEI sur les surfaces des électrodes positive et négative, le dépôt de lithium métallique, la dissolution des matériaux actifs de l'électrode, la survenue de réactions d'oxydoréduction ou de réactions secondaires à l'anode et à la cathode, les changements structurels et les changements de phase. Actuellement, les changements dans la dégradation de la capacité des batteries lithium-ion et leurs causes font toujours l'objet de recherches continues.
II. Surcharge
2.1 Surcharge de l'électrode négative
De nombreux types de matériaux actifs peuvent être utilisés comme électrodes négatives dans les batteries lithium-ion, les matériaux à base de carbone, à base de silicium, à base d'étain et de titanate de lithium étant les principaux. Différents types de matériaux carbonés présentent des propriétés électrochimiques variées. Le graphite, avec sa haute conductivité, son excellente structure en couches et sa haute cristallinité, est bien adapté à l'intercalation et à la désintercalation du lithium. De plus, le graphite est abordable et facilement disponible, ce qui le rend largement utilisé.
Lors de la charge et de la décharge initiales d'une batterie lithium-ion, les molécules de solvant se décomposent à la surface du graphite, formant un film de passivation appelé SEI (Sediment Injection). Cette réaction entraîne une perte de capacité irréversible. Lors de la surcharge, un dépôt de lithium métallique se produit à la surface de l'électrode négative, en particulier lorsque le matériau actif de l'électrode positive est en excès par rapport au matériau actif de l'électrode négative. Le dépôt de lithium métallique peut également se produire dans des conditions de taux élevé.
En général, la formation de lithium métallique entraînant une dégradation de la capacité des batteries au lithium provient principalement des raisons suivantes :
Premièrement, elle réduit la quantité de lithium cyclique dans la batterie ;
Deuxièmement, le lithium métallique réagit avec l'électrolyte ou le solvant, formant d'autres sous-produits ;
Troisièmement, le lithium métallique se dépose principalement entre l'électrode négative et le séparateur, provoquant un blocage des pores et augmentant la résistance interne. Le mécanisme par lequel différents matériaux graphitiques affectent la dégradation de la capacité des batteries lithium-ion varie. Le graphite naturel a une surface spécifique plus grande ; par conséquent, les réactions d'autodécharge entraîneront une perte de capacité dans les batteries lithium-ion. De plus, le graphite naturel, en tant qu'électrode négative, a une résistance électrochimique plus élevée que le graphite synthétique. En outre, des facteurs tels que la dissociation de la structure en couches de l'électrode négative lors du cyclage, la dispersion des agents conducteurs lors de la fabrication de l'électrode, et l'augmentation de la résistance électrochimique pendant le stockage sont tous des facteurs importants contribuant à la perte de capacité dans les batteries lithium-ion.
2.2 Réaction de surcharge de l'électrode positive
La surcharge de l'électrode positive se produit principalement lorsque la proportion de matériau d'électrode positive est trop faible, entraînant un déséquilibre de capacité entre les électrodes et provoquant une perte de capacité irréversible dans les batteries lithium-ion. De plus, la coexistence et l'accumulation continue d'oxygène et de gaz combustibles libérés par la décomposition du matériau d'électrode positive et de l'électrolyte peuvent présenter des risques pour la sécurité d'utilisation des batteries lithium-ion.
Le testeur de charge et décharge de batterie ACEY-BCT506-512H est utilisé pour la formation de batterie, la mesure de capacité et les tests de paramètres de performance, etc. C'est un système de test complet de batterie de type maître-esclave composé d'un ordinateur et d'un microcontrôleur. Sa structure est avancée, ses performances sont fiables, son fonctionnement est pratique, son efficacité est élevée, et il a un rapport coût-performance extrêmement élevé. C'est un équipement de test de production indispensable pour les fabricants de batteries au lithium, les fabricants de mesure de capacité et les instituts de recherche.2.3 Réaction de l'électrolyte à haute tension
Si la tension de charge d'une batterie lithium-ion est trop élevée, cela provoquera l'oxydation de l'électrolyte et générera certains sous-produits, qui obstrueront les micropores de l'électrode, gênant la migration des ions lithium et provoquant ainsi des changements dans la dégradation de la capacité de cycle. La stabilité de l'électrolyte est inversement proportionnelle à sa concentration ; des concentrations plus élevées entraînent une stabilité plus faible, affectant ainsi la capacité de la batterie lithium-ion. Pendant la charge, l'électrolyte est consommé, nécessitant un réapprovisionnement lors de l'assemblage, ce qui réduit la quantité de matériau actif et impacte la capacité initiale.
III. Décomposition de l'électrolyte
L'électrolyte comprend l'électrolyte, le solvant et les additifs, et ses propriétés affectent la durée de vie de la batterie, la capacité spécifique, les performances de charge/décharge à différentes vitesses et la sécurité. La décomposition de l'électrolyte et du solvant entraîne une perte de capacité. Lors du premier cycle de charge/décharge, la formation d'un film SEI à la surface de l'électrode négative par les solvants et d'autres substances entraîne une perte de capacité irréversible, ce qui est inévitable. La présence d'impuretés telles que l'eau ou le fluorure d'hydrogène dans l'électrolyte peut provoquer la décomposition de l'électrolyte LiPF6 à des températures plus élevées, et les produits résultants réagissent avec le matériau de l'électrode positive, affectant la capacité de la batterie.
Simultanément, certains produits réagissent avec le solvant, affectant la stabilité du film SEI à la surface de l'électrode négative et provoquant une dégradation des performances de la batterie lithium-ion. De plus, si les produits de décomposition de l'électrolyte sont incompatibles avec l'électrolyte, ils bloqueront les pores de l'électrode positive pendant la migration, entraînant une dégradation de la capacité de la batterie. En général, la survenue de réactions secondaires entre l'électrolyte et les électrodes positive et négative de la batterie, ainsi que les sous-produits résultants, sont les principaux facteurs causant la dégradation de la capacité de la batterie.
IV. Auto-décharge
Les batteries lithium-ion subissent généralement une perte de capacité, un processus connu sous le nom d'auto-décharge, qui est divisé en perte de capacité réversible et irréversible. Le taux d'oxydation du solvant affecte directement le taux d'auto-décharge. Les matériaux actifs des électrodes positive et négative peuvent réagir avec le soluté pendant la charge, entraînant une migration des ions lithium, un déséquilibre de capacité et une dégradation irréversible. Par conséquent, la réduction de la surface du matériau actif peut réduire le taux de perte de capacité, et la décomposition du solvant affecte la durée de vie de stockage de la batterie. La fuite du séparateur peut également entraîner une perte de capacité, mais cela est moins probable. Si l'auto-décharge persiste longtemps, elle entraînera un dépôt de lithium métallique, causant ainsi une dégradation de la capacité des électrodes positive et négative.
V. Instabilité de l'électrode
Pendant la charge, le matériau actif de l'électrode positive de la batterie est instable, ce qui le fait réagir avec l'électrolyte et affecte la capacité de la batterie. Parmi les facteurs affectant la capacité de la batterie, les défauts structurels du matériau de cathode, le potentiel de charge excessivement élevé et la teneur en noir de carbone sont les principaux facteurs.
5.1 Transition de phase structurelle
Le LiMn2O4 spinelle est abondant et peu coûteux dans mon pays, possède une bonne stabilité thermique et est un matériau principal pour les cathodes de batterie. Le stockage des cathodes LiMn2O4 à haute température et pendant les cycles de charge-décharge de la batterie entraîne une dégradation de la capacité, principalement en raison des facteurs suivants : Premièrement, dans des conditions de haute tension, des réactions électrochimiques se produisent dans l'électrolyte, généralement au-dessus de 4,0 V ; deuxièmement, le Mn dans le LiMn2O4 se dissout dans l'électrolyte, provoquant une réaction de dismutation qui perturbe la structure cristalline du matériau de cathode.
5.2 Teneur en noir de carbone dans les matériaux de cathode
Étant donné que le noir de carbone est une substance inactive et ne participe pas à la réaction de décharge, une teneur excessive en noir de carbone dans le matériau de cathode affectera sa résistance et sa capacité. Par conséquent, il doit être ajouté de manière appropriée. De plus, le transporteur génère une substance catalytique à la surface du noir de carbone, qui peut améliorer le taux de décomposition des ions métalliques et promouvoir efficacement la dissolution des substances actives.
Acey New Energy
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