Die Auswirkungen der Parameter des Bildungsprozesses auf die Leistung der Batterie

Ein Schlüsselfaktor, der die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien beeinflusst, ist der Festelektrolyt-Interphasenfilm (SEI), der sich durch die Zersetzung des Elektrolyten auf der Oberfläche der negativen Elektrode bildet. Der SEI-Film wird während des ersten Lade-Entlade-Zyklus des Batteriebildungsprozesses gebildet. Ein stabiler SEI-Film schützt die negative Elektrode vor dem Verbrauch bei der anschließenden Elektrolytzersetzung und verhindert die Graphitablösung. Daher,Ausrüstung zur Batteriebildungist eine entscheidende Maschine im Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien.

Beim Bildungsprozess wird eine qualifizierte Batterie nach dem Einspritzen und Absetzen des Elektrolyten ihrem ersten Lade-Entlade-Zyklus unterzogen, wodurch der SEI-Film auf der Oberfläche der negativen Elektrode gebildet wird. Der Batterieformationsprozess umfasst hauptsächlich vier Teile: Laden am offenen Ende (Vorladen oder Entlüften), Laden am geschlossenen Ende, Alterung am geschlossenen Ende und Entladen am geschlossenen Ende. Unterschiedliche Bildungsprozesse führen zu unterschiedlichen SEI-Filmzuständen, und diese unterschiedlichen SEI-Filmzustände haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Batterieleistung. Daher haben unterschiedliche Entstehungsprozesse unterschiedliche Auswirkungen auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Zu diesen Unterschieden gehören hauptsächlich Schwankungen im Formations-Lade-Entlade-Strom, der Formations-Lade-Entlade-Zeit, der Formations-Lade-Entlade-Abschaltspannung sowie der Formationsalterungszeit und -temperatur. Die Batterieleistung umfasst hauptsächlich Zyklenleistung, Spannung, Innenwiderstand und Hochtemperatur-Lagerleistung.

1. Der Einfluss des Formationslade-/Entladestroms auf die Batterieleistung

Der Formationslade-/Entladestrom umfasst hauptsächlich den ersten Teil (Laden im offenen Kreislauf oder Entlüftungsstrom), den zweiten Teil (Laden im geschlossenen Kreislauf) und den vierten Teil (Entladen im geschlossenen Kreislauf).

Der erste Teil, die Bildung eines offenen Kreislaufs (Vorladen oder Entlüften), umfasst hauptsächlich das Laden mit niedrigem Strom, um einen stabilen und dichten SEI-Film zu bilden, der das Entweichen von Gasen ermöglicht, die durch die Reaktion von Additiven im Elektrolyten entstehen, wodurch die Auswirkungen auf die Batteriezyklusleistung und die Geschwindigkeitsleistung verringert werden. Darüber hinaus haben Art und Menge der Elektrolytzusätze, Reaktionspotential und Zeit Einfluss auf die erforderliche Ladegeschwindigkeit. Daher wird in dieser Stufe hauptsächlich ein gestufter Lademodus verwendet, d. h. ein Laden mit niedrigem Strom im ersten Schritt, wobei nachfolgende Schritte den Strom basierend auf dem vorherigen Schritt erhöhen.

Im zweiten Teil, der Ruhestrombildung, geht es im Wesentlichen darum, den Ladestrom ausgehend vom ersten Teil zu erhöhen. Im ersten Teil haben einige Zusätze im Elektrolyten bereits reagiert und es hat sich ein dichter SEI-Film gebildet. Allerdings kann ein zu dichter SEI-Film den Lithium-Ionen-Transport während des Reaktionsprozesses beeinträchtigen. Daher muss der Strom schrittweise erhöht werden, damit der gebildete SEI-Film von dicht zu porös übergehen kann. Eine Erhöhung des Ladestroms kann die Ladezeit der Batterie verkürzen und die Produktionseffizienz verbessern. Ein zu hoher Ladestrom kann jedoch dazu führen, dass die Batterietemperatur ansteigt, wodurch der SEI-Film beschädigt wird und sich auflöst und neu formiert. Dies führt zu einer Verschlechterung der Batteriekapazität, einer schlechten Zyklusleistung und sogar zu Sicherheitsunfällen.

Der vierte Teil, die geschlossene Entladung, umfasst die erste Entladung einer vollständig geladenen Batterie und schließt damit den gesamten Aktivierungsprozess der Batterie ab. Vor der Entladung bildet sich grundsätzlich der SEI-Film auf der Oberfläche der negativen Elektrode, sodass der Entladestrom für diesen Teil gleich oder geringfügig größer als der Ladestrom im zweiten Teil sein kann. Der Strom sollte jedoch nicht zu hoch sein, da dies zu einer starken Polarisierung der Batterie und einem zu schnellen Temperaturanstieg führt. Um die Batteriekonsistenz sicherzustellen, sollte außerdem nach der Entladung mit großem Strom eine Entladung mit kleinem Strom durchgeführt werden.

2. Der Einfluss der Formations-Lade-Entlade-Zeit auf die Batterieleistung

Die Formations-Lade-Entlade-Zeit umfasst hauptsächlich den ersten Teil, die Ladezeit am offenen Ende (Vorladung oder Entlüftung), den zweiten Teil, die Ladezeit am geschlossenen Ende, und den vierten Teil, die Entladezeit am geschlossenen Ende.

Der erste Teil, die offene Ladezeit (Vorladung oder Entlüftung), ist eine Ladezeit mit kleinem Strom und sollte nicht zu lang sein, da längeres Laden mit kleinem Strom die Impedanz des gebildeten SEI-Films erhöht und den Innenwiderstand der Batterie erhöht. Bei der Untersuchung des Einflusses der Formationsladezeit auf die Batterieleistung in Lithium-Eisenphosphat-Kathoden- und Graphitanoden-Leistungsbatterien wurde festgestellt, dass eine entsprechende Verkürzung der Formationszeit bei gleichem Ladestrom für die Bildung des SEI-Films auf der Oberfläche der Batterieanode von Vorteil ist. Die Anodenoberfläche ist bei dieser Lademethode glatt und verbessert effektiv den Innenwiderstand der Batterie, die Zyklenleistung und die Hochtemperaturspeicherleistung.

Der zweite Teil, die geschlossene Ladezeit ohne Spannungsbeschränkungen, führt bei zu langem Laden zu Überladung, während kurze Ladezeiten zu einer unvollständigen Aktivierung der aktiven Materialien in den Innenelektroden der Batterie führen, was zu einem unvollständigen und weniger dichten SEI-Film führt, was die Batterieleistung beeinträchtigt. Daher sollte dieser Teil der Ladezeit in Verbindung mit der Ladeabschaltspannung gesteuert werden.

Der vierte Teil, die Entladezeit bei geschlossenem Ende, hängt von der Entladetiefe der Batterie ab. Ohne Begrenzung der Entlade-Abschaltspannung ist die Entladung umso tiefer, je länger die Entladezeit der Batterie ist, was zu einer Überentladung und einer verkürzten Lebensdauer führt.

3. Einfluss der Formations-Lade-/Entlade-Abschaltspannung auf die Batterieleistung

Der erste Teil, die Abschaltspannung für das offene Laden (Vorformation), ist die Abschaltspannung nach dem Vorladen. Der Zweck der Vorformung besteht darin, Verunreinigungen zu entfernen und den SEI-Film zu bilden. Zu den Verunreinigungen zählen Feuchtigkeit, Spurenelemente und Spuren metallischer Verunreinigungen. Die Bildungsgrenzspannung beeinflusst den Reaktionsweg der SEI-Filmbildung.

Der zweite Teil betrifft die Ladeabschaltspannung am geschlossenen Ende, also die Spannung, bei der die Batterie vollständig geladen ist. Eine zu hohe Spannung führt zu einer Überladung, wodurch überschüssige Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der positiven Elektrode freigesetzt und auf der Oberfläche der negativen Elektrode abgelagert werden, wodurch Lithiumdendriten entstehen. Durch Überladung zersetzt sich auch die positive Elektrode und setzt Sauerstoff frei, der als Katalysator für die Elektrolytzersetzung fungiert. Darüber hinaus reagiert das Elektrolytlösungsmittel mit dem auf der Oberfläche der negativen Elektrode abgelagerten aktiven Lithium, was zum Verlust des aktiven Materials der positiven Elektrode und zu einer Verschlechterung der Batteriekapazität führt.

Der vierte Teil betrifft die Abschaltspannung bei geschlossener Entladung, die die Steuerspannung für die erste vollständige Entladung der Batterie ist. Eine unzureichende Spannung führt zu übermäßiger Entladung, Korrosion des Stromkollektors der negativen Elektrode sowie zur Zerstörung und Zersetzung des SEI-Films auf der Oberfläche der negativen Elektrode. Der wiederhergestellte SEI-Film weist eine schlechte Leistung auf und erhöht die Batterieimpedanz und -polarisierung am Ende des Lade- und Entladevorgangs, was zu einer verringerten Lade- und Entladeeffizienz und einer schlechteren Zyklusleistung führt. Experimentelle Studien zur thermischen Leistung von SONY 18650 Lithium-Ionen-Batterien unter Überladungs- und Tiefentladungsbedingungen ergaben, dass die Batteriespannung während der Tiefentladungsphase schnell abfällt und die Batterieoberflächentemperatur kontinuierlich auf 41 °C ansteigt. Nach etwa 250 Sekunden sinken die Batteriespannung und der Batteriestrom auf nahezu 0 V bzw. 0 mA. Dabei handelt es sich um einen Selbstschutzmechanismus des Akkus, um Tiefentladung und Überhitzung zu verhindern.

4. Auswirkungen von Alterungszeit und -temperatur auf die Batterieleistung

Die Alterungszeit ist der Zeitraum zwischen der ersten Ladung und der ersten Entladung. Nach der ersten Vollladung benötigen Lithium-Ionen-Akkus eine gewisse Ruhezeit, um die interne Polarisation zu entfernen, die sich erheblich auf die Kapazität und Impedanz des Akkus auswirkt. Studien mit 18650-Lithium-Ionen-Batterien zur Untersuchung des Einflusses der Ruhezeit auf die Zyklusleistung von Lithium-Ionen-Batterien zeigten einen signifikanten Einfluss. Batterien mit Ruhezeiten ≤2 Stunden zeigten keinen signifikanten Unterschied in der Zyklusleistung und Impedanz im Vergleich zu Batterien ohne Ruhezeit.

Der Einfluss der Temperatur auf die Batterieleistung zeigt sich hauptsächlich in der beschleunigten Zersetzung von Elektrolyt und Additiven, der Verdickung des SEI-Films auf der Oberfläche der negativen Elektrode und einem erhöhten Innenwiderstand der Batterie bei steigender Temperatur. Der Hauptbestandteil des Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien ist LiPF6. Bei zu hohen Temperaturen zersetzt sich LiPF6 thermisch und es entsteht PF5. PF5 reagiert weiter mit Wasser im Elektrolyten unter Bildung von HF. HF ist eine wesentliche Ursache für die Eisenauflösung im Kathodenmaterial.

Um die Hochtemperaturzyklusleistung von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, wird dem Elektrolyten Methylendisulfonat (MMDS) zugesetzt. MMDS verbessert die Zyklenleistung der Batterie sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen deutlich und die Zyklenstabilität steigt mit zunehmender Additivdosierung. Allerdings ist dieser Zusatzstoff temperaturempfindlich; Die Verwendung und Lagerung bei hohen Temperaturen kann zu einer Zunahme der Farbe und des Säuregehalts führen und die Batterieleistung beeinträchtigen. Daher müssen die Lagertemperatur des Elektrolyten, die Absetztemperatur nach dem Befüllen sowie die Entgasungs- und Bildungstemperatur der Batterie streng kontrolliert werden, um einen MMDS-Fehler zu verhindern.