Какви отрицателни въздействия има недостатъчният електролит върху литиевите батерии?

Като основна среда за транспортиране на литиево-йони в батерията, електролитът играе решаваща роля като „йонен проводник“, „протектор на интерфейса на електродите“ и „мост за пренос на заряд“. Неговото количество трябва да бъде стриктно съобразено с размера на електрода на батерията, порьозността и обема на капсулиране, за да се осигури достатъчно овлажняване на активните материали на електрода и безпрепятствени пътища за транспортиране на литиево-йони. Недостатъчният електролит (наричан в индустрията „под-електролит“) не е просто въпрос на недостатъчна среда; той нарушава вътрешния електрохимичен баланс на батерията, предизвиквайки поредица от верижни реакции, водещи до влошаване на производителността и нарушаване на безопасността. Повечето от тези щети са необратими и сериозно влияят върху живота и безопасността на батерията. Следващият анализ, базиран на действителните принципи на работа на батериите, описва подробно неговите специфични отрицателни въздействия и основните механизми.

За да улесним ясното разбиране, нека първо да изясним основната предпоставка: Основната функция на електролита е да разтваря литиеви соли (като LiPF6, LiFSI и т.н.), осигурявайки свободно движещи се литиеви йони, като същевременно намокря активните материали на положителния и отрицателния електрод (като тройни материали, литиево-железен фосфат, графит и др.) и сепаратора, изграждащ стабилен интерфейс електрод/електролит (SEI филм, CEI филм), осигуряващ ефективен и стабилен транспорт на литиеви йони между положителните и отрицателните електроди.

Най-прякото и интуитивно въздействие на недостатъчния електролит е, че действителният капацитет на разреждане на батерията е значително по-нисък от проектния капацитет и този спад на капацитета е необратим, като непрекъснато се влошава с увеличаване на броя на циклите. Основният механизъм се крие във факта, че активните материали на положителния и отрицателния електрод не могат да бъдат напълно намокрени от електролита; само малко количество повърхностно активен материал може да участва в реакцията на вмъкване/извличане на литиеви йони, докато голямо количество вътрешен активен материал остава "неактивен" и не може да упражнява електрохимична активност.

От структурна гледна точка както положителните, така и отрицателните електроди са порести (с порьозност обикновено между 30% и 50%). Електролитът трябва напълно да запълни тези пори, за да позволи на литиевите йони да контактуват с всяка активна частица. Ако електролитът е недостатъчен, непрекъсната електролитна фаза не може да се образува в порите и литиевите йони могат да се движат само в ограничена област на повърхността на електрода. Това значително намалява броя на литиевите йони, участващи в електрохимичната реакция, предотвратявайки освобождаването на пълния проектиран капацитет по време на разреждане.

Освен това, в ниско-електролитно състояние, по време на първото зареждане, някои ненамокрени активни материали не могат да образуват стабилен междуфазов филм. Дори при последващо попълване на електролита е малко вероятно тези активни материали да възвърнат активността си, което води до необратимо намаляване на капацитета и предотвратява възстановяването до проектната стойност чрез цикли на зареждане.

ACEY-BCT560-64PТестер за капацитет на литиева батерияе идеалното решение за тестване и оценка на производителността на литиево-йонни батерии. Това-на--оборудване включва усъвършенствана технология за точно измерване и анализ на различни параметри, включително напрежение, ток, температура и др.

Вътрешното съпротивление на литиевата батерия се състои основно от три части: омично съпротивление, съпротивление на пренос на заряд и съпротивление на дифузия. Недостатъчният електролит води до значително увеличение на последните две, което в крайна сметка причинява рязко покачване на общото вътрешно съпротивление на батерията, което от своя страна влияе върху ефективността на зареждане/разреждане и изходната производителност.

От една страна, повишено съпротивление на пренос на заряд: Съпротивлението на пренос на заряд възниква главно на интерфейса електрод/електролит, разчитайки на стабилен междуфазов филм и достатъчно електролит за пренос на заряд. Когато електролитът е недостатъчен, повърхността на електрода не е достатъчно намокрена и междинните филми (SEI филм, CEI филм) не могат да бъдат равномерно покрити. Устойчивостта на вмъкване/извличане на литиеви йони върху повърхността на електрода се увеличава, забавяйки преноса на заряда и причинявайки експоненциално увеличаване на съпротивлението на пренос на заряда. От друга страна, повишено съпротивление на дифузия: Скоростта на дифузия на литиевите йони в електролита е пряко свързана с непрекъснатостта и концентрацията на електролита. Недостатъчният електролит води до неравномерна концентрация на електролита, като някои зони дори се превръщат в празни зони без-електролит. Пътят на дифузия на литиевите йони е блокиран, разстоянието на дифузия става по-дълго и съпротивлението на дифузия се увеличава значително.

Цикличната производителност е основен показател за живота на литиевата батерия, отнасящ се до способността на батерията да поддържа стабилен капацитет по време на повтарящи се цикли на зареждане-разреждане. Недостатъчният електролит води до рязко влошаване на ефективността на цикъла и е склонен към необичайни явления като внезапен и значителен спад на капацитета след един цикъл. Това по същество е порочен кръг, причинен от повишено вътрешно съпротивление.

Както бе споменато по-рано, недостатъчното количество електролит води до повишено вътрешно съпротивление. Основната последица от увеличеното вътрешно съпротивление е засилено локализирано нагряване по време на зареждане и разреждане на батерията (според закона на Джаул Q=I²Rt, при постоянен ток по-високото вътрешно съпротивление води до повече генериране на топлина). Локализираното прегряване ускорява разграждането на електролита-при високи температури, електролитът претърпява окислително-редукционни реакции, генерирайки газове като CO₂ и HF, както и инертни вещества, които допълнително изразходват оставащия електролит и водят до още по-недостатъчен електролит. Едновременно с това високите температури също увреждат стабилния филм на интерфейса електрод/електролит (SEI филмът ще се разкъса и реконструира). Разкъсаният SEI филм ще консумира отново литиеви йони и електролит, за да се възстанови, като допълнително ще увеличи съпротивлението при пренос на заряд.

Този порочен кръг от „ниско ниво на електролита → повишено вътрешно съпротивление → локализирано нагряване → разлагане на електролита → влошено ниско ниво на електролита“ кара капацитетът на батерията непрекъснато да намалява по време на цикъл и скоростта на спадане се ускорява. Когато броят на циклите достигне определено ниво, междинният филм напълно се повреди или електролитът е изчерпан, настъпва значителен спад в капацитета. Освен това, ниското ниво на електролита също води до лоша консистенция на капацитета по време на цикъла на батерията. В пакет от много-клетъчни серии батерии, клетките с ниско ниво на електролит първи ще намалеят, като по този начин намаляват производителността и продължителността на живота на целия комплект батерии.

Генерирането на топлина, причинено от недостатъчен електролит, е критична връзка между влошаването на производителността и повредата в безопасността. Генерирането на топлина произхожда главно от два източника, които имат кумулативен ефект, водещ до необичайно висока температура на батерията и създаващ потенциален ранен риск от термично изтичане.

• Каталитично генериране на топлина поради вътрешно съпротивление

Както бе споменато по-рано, недостатъчното количество електролит води до рязко увеличаване на вътрешното съпротивление, значително увеличавайки джаулова топлина, генерирана по време на зареждане и разреждане. Освен това, поради недостатъчен електролит, неговият собствен капацитет за разсейване на топлина също намалява (електролитът също има определена функция за разсейване на топлината, като отвежда топлината, генерирана от електродите, към корпуса на батерията).

• Анормално генериране на топлина при реакция

Недостатъчният електролит причинява нестабилност във филма на интерфейса на електрода, което го прави податлив на странични реакции. Това се проявява като значително повишаване на температурата на корпуса на батерията по време на зареждане и разреждане (нормалните температури на зареждане и разреждане обикновено са 20-45 градуса, но батериите с недостатъчен електролит могат да се повишат над 50 градуса), особено забележимо по време на зареждане, понякога дори ставайки „горещи на пипане“. Ако батерията е подложена на високоскоростно зареждане и разреждане, генерирането на топлина допълнително ще се засили, потенциално надвишавайки температурата на разлагане на електролита (обикновено над 60 градуса), ускорявайки разлагането на електролита и стареенето на електрода, създавайки потенциална опасност за безопасността за последващи повреди. Освен това, продължителното генериране на топлина може да доведе до деформация на корпуса на батерията и стареене на уплътнителя, потенциално причинявайки изтичане на електролит и допълнително влошаване на състоянието на батерията.

ACEY-BCT506-512Hоборудване за тестване на зареждането на батериятаизползва съвременни електронни устройства за наблюдение и контрол вместо ръчна работа, за да следи напрежението в реално-време, тока, капацитета, енергията, състоянието на формиране и други параметри на формирането на разпределени батерии в реално време, диагностицира и обработва повреди, записва и анализира съответните данни, така че да реализира необслужвана и групова обработка в процеса на формиране, Софтуер за компютърен контрол за централизирано наблюдение и поддръжка на оборудване.

Това е най-сериозното отрицателно въздействие на недостатъчния електролит, пряко засягащ безопасността на батерията и представляващ един от основните режими на повреда за батерии с недостатъчен{0}}електролит. Основната причина за литиево покритие е: недостатъчното количество електролит води до лошо локално овлажняване на отрицателния електрод, което води до неравномерно образуване на SEI филма. Литиевите йони не могат правилно да се вградят между графитните слоеве и могат само да отлагат метален литий върху повърхността на отрицателния електрод (т.е. „литиево покритие“), причинявайки директен контакт между положителните и отрицателните електроди вътре в батерията, задействайки вътрешно късо съединение.

Вътрешно късо съединение генерира мигновено голямо количество топлина, което води до рязко покачване на температурата на батерията (мигновено надхвърляне на 100 градуса), което води до термично изтичане. Високите температури причиняват бурно разлагане на електролита, произвеждайки големи количества запалими и експлозивни газове (като CO и CH4). Вътрешното налягане на батерията се повишава рязко, което в крайна сметка води до спукване на корпуса на батерията и изтичане. Ако газът влезе в контакт с въздуха или ако вътрешната температура достигне точката на запалване на електролита или електродните материали, той може да се запали или дори да експлодира. Освен това, дори без вътрешно късо съединение, отложеният метален литий ще реагира с електролита, консумирайки както електролит, така и литиеви йони, което допълнително ускорява влошаването на производителността на батерията и опасностите за безопасността. При разглобяване на батерия със силно недостатъчен електролит, метални литиеви отлагания могат дори да се наблюдават директно върху повърхността на отрицателния електрод и той е склонен към запалване.

Недостатъчното количество електролит в литиевите батерии не е "малък дефект", а по-скоро причинява необратимо увреждане на батерията отвътре навън, което засяга производителността, продължителността на живота и безопасността. Неговото въздействие проявява характеристика на "верижна реакция": недостатъчен електролит → неадекватно овлажняване → възпрепятстван транспорт на литиеви йони → повишено вътрешно съпротивление → повишено генериране на топлина → разлагане на електролита → влошаване на недостатъчен електролит → отлагане на литий → вътрешно късо съединение → пожар и експлозия. При действителното производство и употреба количеството на използвания електролит трябва да бъде строго контролирано, обикновено изчислено точно въз основа на параметри като порьозност на електрода и обем на батерията, за да се избегнат проблеми с недостатъчен електролит.

Ако батерията показва значително намаляване на обхвата (намаляване на капацитета над 20%), необичайно нагряване по време на зареждане и разреждане, прекалено високо напрежение на зареждане, прекалено ниско напрежение на разреждане или рязък спад на капацитета по време на цикъл, това може да означава недостатъчен електролит. Навременната проверка и поддръжка са от решаващо значение за предотвратяване на по-нататъшни повреди на батерията или инциденти, свързани с безопасността. За големи пакети батерии, като захранващи батерии и батерии за съхранение на енергия, недостатъчното количество електролит може също да повлияе на стабилността на цялата система, което изисква фокусирано внимание и превенция.

Свържете се сега