מושפע מהדרגה החמה של שוק הרכב החשמלי,סוללות ליתיום-יון, כאחד ממרכיבי הליבה של כלי רכב חשמליים, הודגשו במידה רבה. אנשים מחויבים לפתח סוללת ליתיום-יון בטיחותית ובטיחותית עם חיים ארוכים, עוצמה גבוהה. ביניהם, הנחתה שלסוללת ליתיום-יוןהקיבולת ראויה מאוד לתשומת לב של כולם, רק הבנה מלאה של הסיבות להחלשה של סוללות ליתיום-יון או המנגנון, על מנת להיות מסוגל לרשום את התרופה הנכונה לפתור את הבעיה, כי קיבולת סוללות הליתיום-יון מדוע הנחתה?
סיבות לירידה בקיבולת של סוללות ליתיום-יון
1. חומר אלקטרודה חיובי
LiCoO2 הוא אחד מחומרי הקתודה הנפוצים (קטגוריית 3C נמצאת בשימוש נרחב, וסוללות חשמל נושאות בעצם פוספט טרנרי וליתיום ברזל). ככל שמספר המחזורים גדל, אובדן יוני הליתיום הפעילים תורם יותר לדעיכת הקיבולת. לאחר 200 מחזורים, LiCoO2 לא עבר מעבר פאזה, אלא שינוי במבנה הלמלרי, מה שהוביל לקשיים בהטמעת Li+.
ל-LiFePO4 יציבות מבנית טובה, אך ה-Fe3+ באנודה מתמוסס ומצטמצם למתכת Fe על האנודה של הגרפיט, וכתוצאה מכך קיטוב האנודה מוגבר. בדרך כלל פירוק Fe3+ נמנע על ידי ציפוי של חלקיקי LiFePO4 או בחירת אלקטרוליט.
חומרים טרינריים של NCM ① יוני מתכת מעבר בחומר קתודית תחמוצת מתכת המעבר קלים להמסה בטמפרטורות גבוהות, ובכך משתחררים באלקטרוליט או מוצבים בצד השלילי וגורמים להנחתה בקיבולת; ② כאשר המתח גבוה מ-4.4V לעומת Li+/Li, השינוי המבני של החומר הטרינרי מוביל לירידה בקיבולת; ③ Li-Ni שורות מעורבות, המובילות לחסימת ערוצי Li+.
הגורמים העיקריים לירידה בקיבולת בסוללות ליתיום-יון מבוססות LiMnO4 הם 1. שינויים בלתי הפיכים בשלב או מבניים, כגון סטיית Jahn-Teller; ו-2. פירוק Mn באלקטרוליט (נוכחות של HF באלקטרוליט), תגובות דיספרופורציות או הפחתה באנודה.
2.חומרי אלקטרודה שליליים
יצירת משקעי ליתיום בצד האנודה של הגרפיט (חלק מהליתיום הופך ל"ליתיום מת" או יוצר ליתיום דנדריטים), בטמפרטורות נמוכות, דיפוזיה של יוני ליתיום מואטת בקלות מה שמוביל למשקעי ליתיום, וגם משקעי ליתיום נוטים להתרחש כאשר יחס ה-N/P נמוך מדי.
הרס וצמיחה חוזרים ונשנים של סרט SEI בצד האנודה מובילים לדלדול ליתיום ולקיטוב מוגבר.
התהליך החוזר של הטבעת ליתיום/הסרת דה-ליתיום באנודה על בסיס סיליקון יכול בקלות להוביל להרחבת נפח ולכשל בסדק של חלקיקי הסיליקון. לכן, עבור אנודת סיליקון, זה קריטי במיוחד למצוא דרך לעכב את הרחבת הנפח שלה.
3.אלקטרוליט
גורמים באלקטרוליט התורמים לירידה ביכולת שלסוללות ליתיום-יוןלִכלוֹל:
1. פירוק ממסים ואלקטרוליטים (כשל חמור או בעיות בטיחות כמו הפקת גז), עבור ממסים אורגניים, כאשר פוטנציאל החמצון גדול מ-5V לעומת Li+/Li או פוטנציאל ההפחתה נמוך מ-0.8V (מתח פירוק אלקטרוליטים שונה הוא שונה), קל לפירוק. עבור אלקטרוליט (למשל LiPF6), קל להתפרק בטמפרטורה גבוהה יותר (מעל 55 מעלות צלזיוס) עקב יציבות לקויה;.
2. ככל שמספר המחזורים עולה, התגובה בין האלקטרוליט לבין האלקטרודות החיוביות והשליליות עולה, מה שגורם ליכולת העברת המסה להיחלש.
4.דיאפרגמה
הסרעפת יכולה לחסום את האלקטרונים ולמלא העברת יונים. עם זאת, יכולת הסרעפת לשנע את Li+ פוחתת כאשר חורי הסרעפת חסומים על ידי תוצרי פירוק של האלקטרוליט וכדומה, או כאשר הסרעפת מתכווצת בטמפרטורות גבוהות, או כאשר הסרעפת מזדקנת. בנוסף, היווצרות של דנדריטים ליתיום החודרים את הסרעפת המובילה לקצר פנימי היא הסיבה העיקרית לכשל שלה.
5. איסוף נוזל
הסיבה לאובדן קיבולת עקב הקולט היא בדרך כלל קורוזיה של הקולט. נחושת משמשת כקולט השלילי מכיוון שקל לחמצן אותה בפוטנציאלים גבוהים, ואילו אלומיניום משמש כקולט החיובי מכיוון שקל ליצור סגסוגת ליתיום-אלומיניום עם ליתיום בפוטנציאל נמוך. תחת מתח נמוך (נמוך כמו 1.5V ומטה, פריקת יתר), נחושת מתחמצנת ל-Cu2+ באלקטרוליט ומשקעת על פני האלקטרודה השלילית, מה שמפריע לביטול הטבעה של ליתיום, וכתוצאה מכך ירידה בקיבולת. ובצד החיובי, טעינת יתר שלסוֹלְלָהגורם לפירוק של אספן האלומיניום, מה שמוביל לעלייה בהתנגדות הפנימית ולירידה בקיבולת.
6. גורמי טעינה ופריקה
מכפילי טעינה ופריקה מוגזמים עלולים להוביל לירידה מואצת בקיבולת של סוללות ליתיום-יון. עלייה במכפיל הטעינה/הפריקה גורמת לכך שעכבת הקיטוב של הסוללה עולה בהתאם, מה שמוביל לירידה בקיבולת. בנוסף, הלחץ המושרה בדיפוזיה הנוצר מטעינה ופריקה בשיעורי כפל גבוהים מוביל לאובדן חומר פעיל בקתודה ולהזדקנות מואצת של הסוללה.
במקרה של טעינת יתר ופריקת יתר של סוללות, האלקטרודה השלילית נוטה למשקעי ליתיום, מנגנון הסרת הליתיום המוגזם של האלקטרודה החיובית קורס, והפירוק החמצוני של האלקטרוליט (התרחשות תוצרי לוואי והפקת גז) מואץ. כאשר הסוללה מתרוקנת יתר על המידה, רדיד הנחושת נוטה להתמוסס (מפריע לביטול הטבעה של ליתיום, או יצירת דנדריטים נחושת ישירות), מה שמוביל לירידה בקיבולת או לכשל בסוללה.
מחקרי אסטרטגיית טעינה הראו שכאשר מתח ניתוק הטעינה הוא 4V, הורדה מתאימה של מתח ניתוק הטעינה (למשל 3.95V) יכולה לשפר את חיי המחזור של הסוללה. כמו כן, הוכח כי טעינה מהירה של סוללה ל-100% SOC מתפוררת מהר יותר מאשר טעינה מהירה ל-80% SOC. בנוסף, Li et al. מצא שלמרות שפעימה יכולה לשפר את יעילות הטעינה, ההתנגדות הפנימית של הסוללה תעלה באופן משמעותי, ואובדן החומר הפעיל של האלקטרודה השלילי הוא חמור.
7. טמפרטורה
השפעת הטמפרטורה על הקיבולת שלסוללות ליתיום-יוןהוא גם מאוד חשוב. כאשר פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר לפרקי זמן ממושכים, יש עלייה בתגובות לוואי בתוך הסוללה (למשל, פירוק האלקטרוליט), מה שמוביל לאובדן קיבולת בלתי הפיך. כאשר פועלים בטמפרטורות נמוכות יותר לפרקי זמן ממושכים, העכבה הכוללת של הסוללה עולה (מוליכות האלקטרוליט יורדת, עכבת SEI עולה וקצב התגובות האלקטרוכימיות יורד), ומשקעי ליתיום מהסוללה נוטים להתרחש.
האמור לעיל הוא הסיבה העיקרית לירידה בקיבולת סוללת הליתיום-יון, דרך ההקדמה לעיל אני מאמין שיש לך הבנה של הגורמים להרס קיבולת סוללת הליתיום-יון.
זמן פרסום: 24 ביולי 2023