I. Análisis del Fenómeno de Disminución de Capacidad de las Baterías de Iones de Litio
Los electrodos positivo y negativo, el electrolito y el separador son componentes importantes de una batería de iones de litio. Las reacciones de inserción y extracción de litio ocurren en los electrodos positivo y negativo, y la cantidad de litio insertado en cada electrodo es el factor principal que afecta la capacidad de la batería. Por lo tanto, mantener el equilibrio de capacidad de los electrodos positivo y negativo es esencial para garantizar un rendimiento óptimo de la batería.
Generalmente, las baterías de iones de litio utilizan una solución electrolítica compuesta por un disolvente orgánico y un electrolito (sal de litio). Esta solución electrolítica debe poseer suficiente conductividad y estabilidad, y ser compatible con los electrodos. Para el separador, su rendimiento es el factor principal que determina la resistencia interna de la batería y la estructura de la interfaz, afectando directamente la degradación de la capacidad. Un separador de alta calidad mejorará significativamente la capacidad y el rendimiento general de la batería de iones de litio. Típicamente, el separador tiene la función principal de separar los electrodos positivo y negativo, evitando cortocircuitos causados por el contacto entre ellos, al tiempo que permite el paso de los iones del electrolito, maximizando así la eficiencia de la batería.
Las reacciones químicas en las baterías de iones de litio incluyen no solo las reacciones redox durante la inserción y extracción de iones de litio, sino también reacciones secundarias como la formación y destrucción de la película SEI en la superficie del electrodo negativo, la descomposición del electrolito y los cambios estructurales y la disolución de materiales activos. Estas reacciones secundarias son todas causas de la degradación de la capacidad de las baterías de iones de litio.
La degradación y pérdida de capacidad durante el ciclo de la batería son fenómenos inevitables. Por lo tanto, para mejorar la capacidad y el rendimiento de la batería, académicos de diversos campos en el país y en el extranjero han estudiado a fondo los mecanismos de pérdida de capacidad de las baterías de litio. Actualmente, los principales factores que causan la degradación de la capacidad de las baterías de iones de litio incluyen la formación de películas de pasivación SEI en las superficies de los electrodos positivo y negativo, la deposición de litio metálico, la disolución de materiales activos del electrodo, la ocurrencia de reacciones redox o reacciones secundarias en el ánodo y el cátodo, cambios estructurales y cambios de fase. Actualmente, los cambios en la degradación de la capacidad de las baterías de iones de litio y sus causas aún están en continua investigación.
II. Sobrecarga
2.1 Sobrecarga del Electrodo Negativo
Se pueden utilizar muchos tipos de materiales activos como electrodos negativos en baterías de iones de litio, siendo los materiales de carbono, silicio, estaño y titanato de litio los principales. Los diferentes tipos de materiales de carbono exhiben diversas propiedades electroquímicas. El grafito, con su alta conductividad, excelente estructura en capas y alta cristalinidad, es muy adecuado para la intercalación y desintercalación de litio. Además, el grafito es asequible y fácilmente disponible, lo que lo hace ampliamente utilizado.
Durante la carga y descarga inicial de una batería de iones de litio, las moléculas del disolvente se descomponen en la superficie del grafito, formando una película de pasivación llamada SEI (Inyección de Sedimentos). Esta reacción conduce a una pérdida de capacidad irreversible. Durante la sobrecarga, ocurre la deposición de litio metálico en la superficie del electrodo negativo, particularmente cuando el material activo del electrodo positivo está en exceso en relación con el material activo del electrodo negativo. La deposición de litio metálico también puede ocurrir en condiciones de alta tasa.
Generalmente, la formación de litio metálico que conduce a la degradación de la capacidad en las baterías de litio se debe principalmente a lo siguiente:
Primero, reduce la cantidad de litio cíclico en la batería;
Segundo, el litio metálico reacciona con el electrolito o el disolvente, formando otros subproductos;
Tercero, el litio metálico se deposita principalmente entre el electrodo negativo y el separador, causando bloqueo de poros y aumentando la resistencia interna. El mecanismo por el cual los diferentes materiales de grafito afectan la degradación de la capacidad de las baterías de iones de litio varía. El grafito natural tiene un área de superficie específica mayor; por lo tanto, las reacciones de autodescarga provocarán pérdida de capacidad en las baterías de iones de litio. Además, el grafito natural, como electrodo negativo, tiene una mayor resistencia electroquímica que el grafito sintético. Además, factores como la disociación de la estructura en capas del electrodo negativo durante el ciclo, la dispersión de los agentes conductores durante la fabricación del electrodo y el aumento de la resistencia electroquímica durante el almacenamiento son factores importantes que contribuyen a la pérdida de capacidad en las baterías de iones de litio.
2.2 Reacción de Sobrecarga del Electrodo Positivo
La sobrecarga del electrodo positivo ocurre principalmente cuando la proporción de material del electrodo positivo es demasiado baja, lo que lleva a un desequilibrio de capacidad entre los electrodos y causa una pérdida de capacidad irreversible en las baterías de iones de litio. Además, la coexistencia y acumulación continua de oxígeno y gases combustibles liberados por la descomposición del material del electrodo positivo y el electrolito pueden representar peligros de seguridad para el uso de baterías de iones de litio.
El probador de carga y descarga de baterías ACEY-BCT506-512H se utiliza para la formación de baterías, medición de capacidad y pruebas de parámetros de rendimiento, etc. Es un sistema de prueba integral de baterías tipo maestro-esclavo compuesto por una computadora y un microcontrolador de un solo chip. Su estructura es avanzada, el rendimiento es confiable, la operación es conveniente, la eficiencia es alta y tiene una relación costo-rendimiento extremadamente alta. Es un equipo de prueba de producción indispensable para fabricantes de baterías de litio, fabricantes de medición de capacidad e instituciones de investigación.2.3 Reacción del Electrolito a Alto Voltaje
Si el voltaje de carga de una batería de iones de litio es demasiado alto, causará la oxidación del electrolito y generará algunos subproductos, que obstruirán los microporos del electrodo, dificultando la migración de los iones de litio y, por lo tanto, causando cambios en la degradación de la capacidad del ciclo. La estabilidad del electrolito es inversamente proporcional a su concentración; concentraciones más altas conducen a una menor estabilidad, afectando así la capacidad de la batería de iones de litio. Durante la carga, se consume electrolito, lo que requiere reponerlo durante el ensamblaje, lo que reduce la cantidad de material activo e impacta la capacidad inicial.
III. Descomposición del Electrolito
El electrolito comprende electrolito, disolvente y aditivos, y sus propiedades afectan la vida útil de la batería, la capacidad específica, el rendimiento de carga/descarga a diferentes tasas y la seguridad. La descomposición tanto del electrolito como del disolvente causa pérdida de capacidad. Durante el ciclo inicial de carga/descarga, la formación de una película SEI en la superficie del electrodo negativo por disolventes y otras sustancias resulta en una pérdida de capacidad irreversible, lo cual es inevitable. La presencia de impurezas como agua o fluoruro de hidrógeno en el electrolito puede hacer que el electrolito LiPF6 se descomponga a temperaturas más altas, y los productos resultantes reaccionan con el material del electrodo positivo, afectando la capacidad de la batería.
Simultáneamente, algunos productos reaccionan con el disolvente, afectando la estabilidad de la película SEI en la superficie del electrodo negativo y causando la degradación del rendimiento de la batería de iones de litio. Además, si los productos de la descomposición del electrolito son incompatibles con el electrolito, obstruirán los poros del electrodo positivo durante la migración, lo que provocará la degradación de la capacidad de la batería. En general, la ocurrencia de reacciones secundarias entre el electrolito y los electrodos positivo y negativo de la batería, así como los subproductos resultantes, son los principales factores que causan la degradación de la capacidad de la batería.
IV. Autodescarga
Las baterías de iones de litio generalmente experimentan pérdida de capacidad, un proceso conocido como autodescarga, que se divide en pérdida de capacidad reversible e irreversible. La tasa de oxidación del disolvente afecta directamente la tasa de autodescarga. Los materiales activos de los electrodos positivo y negativo pueden reaccionar con el soluto durante la carga, lo que lleva a la migración de iones de litio, desequilibrio de capacidad y degradación irreversible. Por lo tanto, reducir el área de superficie del material activo puede reducir la tasa de pérdida de capacidad, y la descomposición del disolvente afecta la vida útil de almacenamiento de la batería. La fuga del separador también puede causar pérdida de capacidad, pero esto es menos probable. Si la autodescarga persiste durante mucho tiempo, conducirá a la deposición de litio metálico, causando aún más la degradación de la capacidad tanto en los electrodos positivo como negativo.
V. Inestabilidad del Electrodo
Durante la carga, el material activo del electrodo positivo de la batería es inestable, lo que hace que reaccione con el electrolito y afecte la capacidad de la batería. Entre los factores que afectan la capacidad de la batería, los defectos estructurales en el material del cátodo, el potencial de carga excesivamente alto y el contenido de negro de carbón son los factores principales.
5.1 Transición de Fase Estructural
El espinel LiMn2O4 es abundante y económico en mi país, posee buena estabilidad térmica y es un material principal para cátodos de baterías. El almacenamiento de cátodos de LiMn2O4 a altas temperaturas y durante los ciclos de carga-descarga de la batería provocan degradación de la capacidad, principalmente debido a los siguientes factores: Primero, bajo condiciones de alto voltaje, ocurren reacciones electroquímicas en el electrolito, generalmente por encima de 4.0V; segundo, el Mn en LiMn2O4 se disuelve en el electrolito, causando una reacción de desproporción que interrumpe la estructura cristalina del material del cátodo.
5.2 Contenido de Negro de Carbón en Materiales del Cátodo
Dado que el negro de carbón es una sustancia inactiva y no participa en la reacción de descarga, un contenido excesivo de negro de carbón en el material del cátodo afectará su resistencia y capacidad. Por lo tanto, debe agregarse de manera apropiada. Además, el portador de transporte genera una sustancia catalítica en la superficie del negro de carbón, que puede mejorar la tasa de descomposición de los iones metálicos y promover eficazmente la disolución de las sustancias activas.
Acey New Energy
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