Почему снижается емкость литиевой батареи?

Положительный и отрицательный электроды, электролит и сепаратор являются важными компонентами литий-ионного аккумулятора. Реакции внедрения и извлечения лития происходят на положительном и отрицательном электродах, а количество лития, внедренного в каждый электрод, является основным фактором, влияющим на емкость аккумулятора. Следовательно, поддержание баланса емкости положительного и отрицательного электродов необходимо для обеспечения оптимальной производительности аккумулятора.

Как правило, в литий-ионных аккумуляторах используется раствор электролита, состоящий из органического растворителя и электролита (соли лития). Этот раствор электролита должен обладать достаточной проводимостью и стабильностью, а также быть совместимым с электродами. Для сепаратора его характеристики являются основным фактором, определяющим внутреннее сопротивление аккумулятора и структуру интерфейса, напрямую влияющим на снижение емкости. Высококачественный сепаратор значительно улучшит емкость и общую производительность литий-ионного аккумулятора. Обычно сепаратор в основном выполняет функцию разделения положительного и отрицательного электродов, предотвращая короткие замырения, вызванные их контактом, а также позволяя ионам электролита проходить через него, тем самым максимизируя эффективность аккумулятора.

Химические реакции в литий-ионных аккумуляторах включают не только окислительно-восстановительные реакции во время внедрения и извлечения ионов лития, но и побочные реакции, такие как образование и разрушение пленки SEI на поверхности отрицательного электрода, разложение электролита и структурные изменения и растворение активных материалов. Все эти побочные реакции являются причинами снижения емкости литий-ионных аккумуляторов.

Снижение и потеря емкости во время циклов заряда-разряда аккумулятора являются неизбежными явлениями. Поэтому, чтобы улучшить емкость и производительность аккумулятора, ученые из различных областей как дома, так и за рубежом тщательно изучили механизмы потери емкости литиевых аккумуляторов. В настоящее время основными факторами, вызывающими снижение емкости литий-ионных аккумуляторов, являются образование пассивирующих пленок SEI на поверхностях положительного и отрицательного электродов, осаждение металлического лития, растворение активных материалов электродов, протекание окислительно-восстановительных или побочных реакций на аноде и катоде, структурные изменения и фазовые переходы. В настоящее время изменения в снижении емкости литий-ионных аккумуляторов и их причины все еще находятся в стадии непрерывных исследований.

В литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательных электродов могут использоваться различные типы активных материалов, причем основными материалами являются углеродные, кремниевые, оловянные и титанатные материалы отрицательных электродов. Различные типы углеродных материалов обладают различными электрохимическими свойствами. Графит, благодаря своей высокой проводимости, превосходной слоистой структуре и высокой кристалличности, хорошо подходит для интеркаляции и деинтеркаляции лития. Кроме того, графит доступен по цене и легкодоступен, что делает его широко используемым.

Во время начального заряда и разряда литий-ионного аккумулятора молекулы растворителя разлагаются на поверхности графита, образуя пассивирующую пленку, называемую SEI (Sediment Injection). Эта реакция приводит к необратимой потере емкости. Во время перезаряда на поверхности отрицательного электрода происходит осаждение металлического лития, особенно когда активный материал положительного электрода превышает активный материал отрицательного электрода. Осаждение металлического лития также может происходить при высоких скоростях заряда.

Как правило, образование металлического лития, приводящее к снижению емкости литиевых аккумуляторов, в основном обусловлено следующим:

Во-первых, оно уменьшает количество циклического лития в аккумуляторе;

Во-вторых, металлический литий реагирует с электролитом или растворителем, образуя другие побочные продукты;
В-третьих, металлический литий в основном осаждается между отрицательным электродом и сепаратором, вызывая закупорку пор и увеличивая внутреннее сопротивление. Механизм влияния различных графитовых материалов на снижение емкости литий-ионных аккумуляторов различен. Природный графит имеет более высокую удельную площадь поверхности; следовательно, реакции саморазряда приводят к потере емкости в литий-ионных аккумуляторах. Кроме того, природный графит, как отрицательный электрод, имеет более высокое электрохимическое сопротивление, чем синтетический графит. В дополнение к этому, такие факторы, как диссоциация слоистой структуры отрицательного электрода во время циклов, дисперсия проводящих добавок при изготовлении электрода и увеличение электрохимического сопротивления во время хранения, являются важными факторами, способствующими потере емкости в литий-ионных аккумуляторах.

Перезаряд положительного электрода в основном происходит, когда доля материала положительного электрода слишком мала, что приводит к дисбалансу емкости между электродами и вызывает необратимую потерю емкости в литий-ионных аккумуляторах. Кроме того, сосуществование и постоянное накопление кислорода и горючих газов, выделяющихся при разложении материала положительного электрода и электролита, могут представлять опасность для безопасности использования литий-ионных аккумуляторов.

ACEY-BCT506-512H тестер заряда-разряда аккумуляторов используется для формирования аккумуляторов, измерения емкости и тестирования параметров производительности и т. д. Это комплексная система тестирования аккумуляторов типа мастер-ведомый, состоящая из компьютера и однокристального микрокомпьютера. Его структура передовая, производительность надежная, эксплуатация удобная, эффективность высокая, и он имеет чрезвычайно высокое соотношение цены и качества. Это незаменимое производственное испытательное оборудование для производителей литиевых аккумуляторов, производителей измерителей емкости и научно-исследовательских учреждений.

Если напряжение заряда литий-ионного аккумулятора слишком высокое, это вызовет окисление электролита и образование некоторых побочных продуктов, которые закупорят микропоры электрода, препятствуя миграции ионов лития и, таким образом, вызывая изменения в снижении циклической емкости. Стабильность электролита обратно пропорциональна его концентрации; более высокие концентрации приводят к более низкой стабильности, тем самым влияя на емкость литий-ионного аккумулятора. Во время заряда потребляется электролит, требующий пополнения во время сборки, что уменьшает количество активного материала и влияет на начальную емкость.

Электролит состоит из электролита, растворителя и добавок, и его свойства влияют на срок службы аккумулятора, удельную емкость, производительность быстрой зарядки/разрядки и безопасность. Разложение как электролита, так и растворителя вызывает потерю емкости. Во время начального цикла заряда/разряда образование пленки SEI на поверхности отрицательного электрода из растворителей и других веществ приводит к необратимой потере емкости, которая неизбежна. Присутствие примесей, таких как вода или фтороводород, в электролите может вызвать разложение электролита LiPF6 при более высоких температурах, а образующиеся продукты реагируют с материалом положительного электрода, влияя на емкость аккумулятора.

Одновременно некоторые продукты реагируют с растворителем, влияя на стабильность пленки SEI на поверхности отрицательного электрода и вызывая деградацию производительности литий-ионного аккумулятора. Кроме того, если продукты разложения электролита несовместимы с электролитом, они будут блокировать поры положительного электрода во время миграции, что приведет к снижению емкости аккумулятора. В целом, протекание побочных реакций между электролитом и положительным и отрицательным электродами аккумулятора, а также образующиеся побочные продукты являются основными факторами, вызывающими снижение емкости аккумулятора.

Литий-ионные аккумуляторы обычно испытывают потерю емкости, процесс, известный как саморазряд, который делится на обратимую и необратимую потерю емкости. Скорость окисления растворителя напрямую влияет на скорость саморазряда. Активные материалы положительного и отрицательного электродов могут реагировать с растворенным веществом во время заряда, приводя к миграции ионов лития, дисбалансу емкости и необратимому снижению. Следовательно, уменьшение площади поверхности активного материала может снизить скорость потери емкости, а разложение растворителя влияет на срок хранения аккумулятора. Утечка сепаратора также может вызвать потерю емкости, но это менее вероятно. Если саморазряд продолжается в течение длительного времени, это приведет к осаждению металлического лития, что еще больше вызовет снижение емкости как положительного, так и отрицательного электродов.

Во время заряда активный материал положительного электрода аккумулятора нестабилен, что приводит к его реакции с электролитом и влияет на емкость аккумулятора. Среди факторов, влияющих на емкость аккумулятора, основными являются структурные дефекты катодного материала, чрезмерно высокий потенциал заряда и содержание сажи.

Шпинель LiMn2O4 обильна и недорога в нашей стране, обладает хорошей термической стабильностью и является основным материалом для катодов аккумуляторов. Хранение катодов LiMn2O4 при высоких температурах и во время циклов заряда-разряда аккумулятора приводит к снижению емкости, в основном из-за следующих факторов: Во-первых, при условиях высокого напряжения происходят электрохимические реакции в электролите, обычно выше 4,0 В; во-вторых, Mn в LiMn2O4 растворяется в электролите, вызывая реакцию диспропорционирования, которая нарушает кристаллическую структуру катодного материала.

Поскольку сажа является неактивным веществом и не участвует в реакции разряда, чрезмерное содержание сажи в катодном материале влияет на его прочность и емкость. Поэтому ее необходимо добавлять в соответствующем количестве. Кроме того, транспортный носитель генерирует каталитическое вещество на поверхности сажи, которое может усилить скорость разложения ионов металлов и эффективно способствовать растворению активных веществ.

Acey New Energy специализируется на исследованиях и производстве высокотехнологичного оборудования для литий-ионных аккумуляторов. Если вы заинтересованы втестер емкости литиевых аккумуляторов, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам в любое время.