Које негативне утицаје има недовољно електролита на литијумске батерије?

Као основни медијум за транспорт литијум{0}}јона унутар батерије, електролит игра кључну улогу као „јонски проводник“, „заштитник интерфејса електроде“ и „мост за пренос наелектрисања“. Његова количина мора бити стриктно усклађена са величином електроде батерије, порозношћу и запремином инкапсулације како би се обезбедило довољно влажење активних материјала електроде и несметани путеви транспорта литијум{2}}јона. Недовољан електролит (који се у индустрији назива "испод-електролита") није само питање недовољног медијума; он нарушава унутрашњу електрохемијску равнотежу батерије, изазивајући низ ланчаних реакција које доводе до деградације перформанси и квара безбедности. Већина ових оштећења је неповратна, што озбиљно утиче на радни век и безбедност батерије. Следећа анализа, заснована на стварним принципима рада батерија, даје детаље о њиховим специфичним негативним утицајима и основним механизмима.

Да бисмо олакшали јасно разумевање, хајде да прво разјаснимо основну премису: Основна функција електролита је да раствара литијумове соли (као што су ЛиПФ6, ЛиФСИ, итд.), обезбеђујући слободно покретне литијумове јоне, док истовремено влаже активне материјале позитивних и негативних електрода (као што су тернарни материјали, литијум сепаратор, литијум сепаратор итд.). конструисање стабилног интерфејса електрода/електролит (СЕИ филм, ЦЕИ филм), обезбеђујући ефикасан и стабилан транспорт литијум јона између позитивне и негативне електроде.

Најдиректнији и најинтуитивнији утицај недовољног електролита је да је стварни капацитет пражњења батерије знатно нижи од пројектованог капацитета, а овај пад капацитета је неповратан, континуирано се погоршавајући са повећањем броја циклуса. Основни механизам лежи у чињеници да се активни материјали позитивне и негативне електроде не могу у потпуности навлажити електролитом; само мала количина површински активног материјала може учествовати у реакцији уметања/екстракције литијум јона, док велика количина унутрашњег активног материјала остаје "неактивна" и не може да испољи електрохемијску активност.

Из структуралне перспективе, и позитивне и негативне електроде су порозне (са порозношћу обично између 30% и 50%). Електролит мора у потпуности да испуни ове поре како би литијум јони могли да контактирају сваку активну честицу. Ако је електролит недовољан, континуирана електролитна фаза се не може формирати унутар пора, а литијум јони могу да се крећу само унутар ограниченог подручја на површини електроде. Ово значајно смањује број литијум јона који учествују у електрохемијској реакцији, спречавајући ослобађање пуног пројектованог капацитета током пражњења.

Штавише, у стању ниског-електролита, током првог пуњења, неки невлажни активни материјали не могу да формирају стабилан међуфазни филм. Чак и уз накнадно допуњавање електролита, мало је вероватно да ће ови активни материјали повратити активност, што доводи до неповратног опадања капацитета и спречава повратак на пројектовану вредност кроз циклусе пуњења.

АЦЕИ{0}БЦТ560-64ПТестер капацитета литијумске батеријеје савршено решење за тестирање и процену перформанси литијум{0}}јонских батерија. Ова-најсавременија-- опрема садржи напредну технологију за прецизно мерење и анализу различитих параметара, укључујући напон, струју, температуру и још много тога.

Унутрашњи отпор литијумске батерије се углавном састоји од три дела: омског отпора, отпора преноса набоја и отпора дифузије. Недовољна количина електролита доводи до значајног повећања последња два, што на крају изазива нагли пораст укупног унутрашњег отпора батерије, што заузврат утиче на ефикасност пуњења/пражњења и излазне перформансе.

С једне стране, повећана отпорност на пренос наелектрисања: отпор преноса наелектрисања се углавном јавља на интерфејсу електрода/електролит, ослањајући се на стабилан међуфазни филм и довољно електролита за пренос наелектрисања. Када је електролит недовољан, површина електроде није довољно навлажена, а међуфазни филмови (СЕИ филм, ЦЕИ филм) не могу бити равномерно покривени. Отпор на уметање/вађење литијум јона на површини електроде се повећава, успоравајући пренос наелектрисања и изазивајући експоненцијално повећање отпора преноса наелектрисања. С друге стране, повећана отпорност на дифузију: Брзина дифузије литијум јона у електролиту је директно повезана са континуитетом и концентрацијом електролита. Недовољна количина електролита доводи до неуједначене концентрације електролита, при чему неке области чак постају празне области „без електролита-. Пут дифузије литијум јона је блокиран, дифузионо растојање постаје дуже, а отпор дифузије се значајно повећава.

Перформансе циклуса су основни индикатор животног века литијумске батерије, који се односи на способност батерије да одржи стабилан капацитет током поновљених циклуса пуњења{0}}пражњења. Недовољна количина електролита доводи до оштрог погоршања перформанси циклуса и склона је абнормалним појавама као што је нагли и значајан пад капацитета након једног циклуса. Ово је у суштини зачарани круг узрокован повећаним унутрашњим отпором.

Као што је раније поменуто, недовољан електролит доводи до повећаног унутрашњег отпора. Основна последица повећаног унутрашњег отпора је појачано локализовано загревање током пуњења и пражњења батерије (према Џуловом закону К=И²Рт, са константном струјом, већи унутрашњи отпор доводи до веће производње топлоте). Локализовано прегревање убрзава разградњу електролита-на високим температурама, електролит пролази кроз редокс реакције, стварајући гасове као што су ЦО₂ и ХФ, као и инертне супстанце, додатно троше преостали електролит и доводе до још недовољног електролита. Истовремено, високе температуре такође оштећују стабилан филм на интерфејсу електрода/електролит (СЕИ филм ће пукнути и реконструисати се). Пукнути СЕИ филм ће поново потрошити литијум јоне и електролит да би се поправио, додатно повећавајући отпор преноса наелектрисања.

Овај зачарани круг „ниског нивоа електролита → повећаног унутрашњег отпора → локализованог загревања → распадања електролита → погоршаног ниског нивоа електролита“ узрокује да капацитет батерије континуирано опада током циклуса, а брзина пада се убрзава. Када број циклуса достигне одређени ниво, међуфазни филм потпуно пропадне, или је електролит исцрпљен, долази до значајног пада капацитета. Штавише, низак ниво електролита такође доводи до лоше конзистентности капацитета током циклуса батерије. У серији батерија са више-ћелија, ћелије са ниским нивоом електролита ће прво опасти, што ће смањити перформансе и животни век целог комплета батерија.

Генерисање топлоте узроковано недовољним електролитом је критична веза између деградације перформанси и квара безбедности. Генерисање топлоте углавном потиче из два извора, који имају кумулативни ефекат, што доводи до ненормално високе температуре батерије и представља потенцијални рани ризик од топлотног бекства.

• Каталитичко стварање топлоте због унутрашњег отпора

Као што је раније поменуто, недовољан електролит доводи до наглог повећања унутрашњег отпора, значајно повећавајући џулов топлоту која се ствара током пуњења и пражњења. Штавише, због недовољног електролита, смањује се и сопствени капацитет одвођења топлоте (електролит такође има одређену функцију одвођења топлоте, проводећи топлоту коју генеришу електроде до кућишта батерије).

• Ненормална реакција стварања топлоте

Недовољна количина електролита узрокује нестабилност филма интерфејса електроде, што га чини склоним споредним реакцијама. Ово се манифестује као значајно повећање температуре кућишта батерије током пуњења и пражњења (нормалне температуре пуњења и пражњења су типично 20-45 степени, али недовољне батерије са електролитом могу да порасту изнад 50 степени), посебно приметно током пуњења, понекад чак и постају „вруће на додир“. Ако је батерија под великом брзином пуњења и пражњења, стварање топлоте ће се даље интензивирати, потенцијално премашивши температуру распадања електролита (обично изнад 60 степени), убрзавајући разградњу електролита и старење електрода, стварајући потенцијалну опасност по безбедност за накнадне кварове. Штавише, продужено стварање топлоте може довести до деформације кућишта батерије и старења заптивача, потенцијално изазивајући цурење електролита и додатно погоршавајући стање батерије.

АЦЕИ{0}БЦТ506-512Хопрема за испитивање пражњења батеријекористи савремене електронске уређаје за надзор и контролу уместо ручног рада за праћење-напона, струје, капацитета, енергије, формације и других параметара формирања дистрибуиране батерије у реалном времену, дијагностикује и обрађује кварове, бележи и анализира релевантне податке, како би се реализовала ненадзорована и серијска обрада у процесу формирања, софтвер за компјутерско управљање за централизовано праћење и одржавање опреме.

Ово је најозбиљнији негативан утицај недовољне количине електролита, који директно утиче на безбедност батерије и представља један од примарних начина квара за батерије са недостатком-електролита. Основни узрок литијумског облагања је: недовољан електролит доводи до лошег локалног влажења негативне електроде, што резултира неравномерним формирањем СЕИ филма. Литијум јони се не могу правилно уградити између слојева графита и могу само да таложе метални литијум на површини негативне електроде (тј. „литијумско превлачење“), узрокујући директан контакт између позитивне и негативне електроде унутар батерије, изазивајући унутрашњи кратки спој.

Унутрашњи кратки спој тренутно генерише велику количину топлоте, што доводи до наглог пораста температуре батерије (тренутно преко 100 степени), што доводи до топлотног бекства. Високе температуре изазивају насилно разлагање електролита, стварајући велике количине запаљивих и експлозивних гасова (као што су ЦО и ЦХ4). Унутрашњи притисак батерије нагло расте, што на крају доводи до пуцања и цурења кућишта батерије. Ако гас дође у контакт са ваздухом, или ако унутрашња температура достигне тачку паљења електролита или материјала електроде, може се запалити или чак експлодирати. Штавише, чак и без унутрашњег кратког споја, таложени метални литијум ће реаговати са електролитом, трошећи и електролит и литијум јоне, додатно убрзавајући деградацију перформанси батерије и ризике по безбедност. Приликом растављања батерије са јако недовољним електролитом, металне наслаге литијума могу се чак директно уочити на површини негативне електроде и она је склона паљењу.

Недостатак електролита у литијумским батеријама није „мањи дефект“, већ изазива неповратно оштећење батерије изнутра ка споља, што утиче на перформансе, животни век и безбедност. Његов утицај показује карактеристику „ланчане реакције“: недовољно електролита → неадекватно влажење → ометани транспорт литијум јона → повећан унутрашњи отпор → повећано стварање топлоте → разградња електролита → погоршање недовољно електролита → таложење литијума → унутрашњи кратки спој → пожар и експлозија. У стварној производњи и употреби, количина употребљеног електролита мора бити строго контролисана, обично прецизно израчуната на основу параметара као што су порозност електрода и запремина батерије како би се избегли недовољни проблеми са електролитом.

Ако батерија показује значајно смањење домета (опадање капацитета преко 20%), ненормално загревање током пуњења и пражњења, претерано висок напон пуњења, пренизак напон пражњења или оштар пад капацитета током циклуса, то може указивати на недовољан електролит. Правовремена инспекција и одржавање су од кључног значаја за спречавање даљег оштећења батерије или безбедносних инцидената. За велике батерије као што су батерије за напајање и батерије за складиштење енергије, недовољан електролит такође може утицати на стабилност целог система, захтевајући фокусирану пажњу и превенцију.

Контактирајте сада