Analyse af årsagerne til hævelse af lithium-ion-batterier

Lithium-ion-batterier bruges i vid udstrækning på grund af deres lange levetid og høje kapacitet. Men med forlængelsen af ​​brugstiden er problemerne med hævelse, utilfredsstillende sikkerhedsydelse og accelereret cyklusdæmpning blevet mere og mere alvorlige, hvilket har forårsaget dyb analyse og undertrykkelse i litiumbatteriindustrien. Studiet. Baseret på eksperimentel forsknings- og udviklingserfaring opdeler forfatteren årsagerne til lithiumbatteriets hævelse i to kategorier, den ene er hævelsen forårsaget af ændringen i tykkelsen på batteristangstykket; den anden er hævelse forårsaget af oxidation og nedbrydning af elektrolyt for at producere gas. I forskellige batterisystemer er de vigtigste faktorer for ændring af batteritykkelse forskellige. For eksempel er lithium-titanat-anodesystembatteriet den vigtigste hævelsesfaktor luft hævelse; i grafitanodesystemet påvirker tykkelsen af ​​polstykket og gasproduktionen opsvulmningen af ​​batteriet. Spil en salgsfremmende rolle.

1. Ændring i tykkelse af elektrode-polstykke

Under brugen af ​​lithiumbatterier vil tykkelsen af ​​elektrode-polstykkerne ændre sig til en vis grad, især den grafit-negative elektrode. Ifølge eksisterende data er lithiumbatterier tilbøjelige til hævelse efter opbevaring og cirkulation ved høj temperatur, og tykkelsesvækstraten er ca. 6% til 20%. Ekspansionshastigheden for den positive elektrode er kun 4%, og ekspansionshastigheden for den negative elektrode er mere end 20%. Den grundlæggende årsag til hævelsen forårsaget af den øgede tykkelse af lithiumbatteripolstykket er essensen af ​​grafit. Den negative elektrodegrafit danner LiCx (LiC24, LiC12 og LiC6 osv.), Når lithium indsættes, og gitterafstanden ændres, hvilket resulterer i dannelsen af ​​mikroskopisk indre spænding, hvilket får den negative elektrode til at producere svulme. Figuren nedenfor er et skematisk diagram over de strukturelle ændringer i grafitnegativt polstykke under placering, opladning og afladning.

Udvidelsen af ​​grafit negativ elektrode er hovedsageligt forårsaget af irreversibel ekspansion efter lithium indsættelse. Denne del af ekspansionen er hovedsageligt relateret til partikelstørrelsen, klæbemidlet og strukturen af ​​polstykket. Udvidelsen af ​​den negative elektrode får kernen til at deformeres, danner et hulrum mellem elektroden og membranen, danner mikrosprækker i de negative elektrodepartikler, bryder og omorganiserer den faste elektrolytgrænseflade (SEI) membran, forbruger elektrolytten og forringes cyklusydelsen. Der er mange faktorer, der påvirker tykkelsen af ​​det negative polstykke. Klæbemidlets egenskaber og polparets strukturparametre er de to vigtigste.

Det almindeligt anvendte klæbemiddel til grafitnegative elektroder er SBR. Forskellige klæbemidler har forskellig elastisk modul og mekanisk styrke og har forskellige virkninger på tykkelsen af ​​polstykket. Rullekraften efter belægning af polstykke påvirker også tykkelsen af ​​det negative polstykke ved batteribrug. Under den samme belastning, jo større klæbemidlets elastiske modul er, jo mindre er polstykkeets rebound fra fysisk placering; under opladning udvides grafitgitteret på grund af indsættelse af Li +; på samme tid, på grund af deformationen af ​​de negative elektrodepartikler og SBR, er den indre spænding helt frigivelse, gør den negative elektrodeekspansionshastighed stigt kraftigt, SBR er i plastisk deformationstrin. Denne del af ekspansionshastigheden er relateret til SBR's elastiske modul og brudstyrke, hvilket resulterer i, at jo større elastisk modul og brudstyrke SBR er, jo mindre er den irreversible ekspansion.

Når mængden af ​​tilsat SBR er inkonsekvent, vil trykket på polstykket under valsning være forskelligt. Forskellige tryk forårsager en vis forskel i restspændingen, der genereres af polstykket. Jo større tryk, jo større er restspændingen, hvilket fører til fysisk lagerudvidelse, fuld elektrisk tilstand og Ekspansionshastigheden for den tomme elektriske tilstand øges; jo mindre SBR-indhold, jo lavere tryk under valsning, desto mindre ekspanderingshastighed for det fysiske lager, fuld elektrisk tilstand og tom elektrisk tilstand i det tidlige stadium; udvidelsen af ​​den negative elektrode får kernen til at deformeres og påvirker den negative elektrode Graden af ​​lithiumindsættelse og Li + diffusionshastighed har en alvorlig indvirkning på batteriets cyklusydelse.

2. Oppustethed forårsaget af produktion af batterigas

Gas genereret inde i batteriet er en anden vigtig årsag til hævelse af batteriet. Uanset om batteriet opbevares ved stuetemperatur, cyklus ved høj temperatur eller høj temperatur, producerer det forskellige grader af hævelse og gasproduktion. I henhold til de nuværende forskningsresultater er essensen af ​​celleoppustethed forårsaget af nedbrydningen af ​​elektrolytten. Der er to tilfælde af elektrolytnedbrydning. Den ene er, at der er urenheder i elektrolytten, såsom fugt og metalurenheder, som får elektrolytten til at nedbrydes og producere gas. Den anden er, at det elektrokemiske vindue i elektrolytten er for lavt, hvilket forårsager nedbrydning under opladningsprocessen. Opløsningsmidlerne såsom EC, DEC osv. Vil generere frie radikaler efter at have fået elektroner. Den direkte konsekvens af reaktioner med frie radikaler er produktionen af ​​lavkogende kulbrinter, estere, ethere og CO2.

Når litiumbatteriet er samlet, genereres en lille mængde gas under præformningsprocessen. Disse gasser er uundgåelige og er også kilden til batteriets såkaldte irreversible kapacitetstab. Under den første opladnings- og afladningsproces, efter at elektronerne når den negative elektrode fra det eksterne kredsløb, vil de gennemgå en oxidationsreduktionsreaktion med elektrolytten på den negative elektrodeoverflade for at generere gas. Under denne proces dannes SEI på overfladen af ​​den grafit-negative elektrode. Da tykkelsen af ​​SEI øges, kan elektroner ikke trænge ind og hæmme den kontinuerlige oxidation og nedbrydning af elektrolytten. For dannelse af SEI, se artiklen: Tørre varer|Hvad er SEI? Så stor indflydelse på lithiumbatterier! Under brugen af ​​batteriet vil den interne gasproduktion gradvist øges. Årsagen er, at der er urenheder i elektrolytten eller for meget fugt i batteriet. Urenheder i elektrolytten skal fjernes omhyggeligt. Utilstrækkelig fugtregulering kan skyldes selve elektrolytten, forkert emballage på batteriet, indføring af fugt og brud på hjørnerne. Derudover vil batteriets' s overopladning, overopladning, misbrug og intern kortslutning også fremskynde batteriets' s gasproduktionshastighed og forårsage batterisvigt.

I forskellige systemer er graden af ​​batteriets hævelse forskellig. I grafitanodesystemets batteri er hovedårsagerne til gassvulmning den ovennævnte SEI-filmdannelse, overdreven fugtighed i cellen, unormal kemisk omdannelsesproces, dårlig emballage osv., Mens batteriets flatulens i lithiumtitanatanodesystemet er mere end grafit / NCM-batterisystemet er meget mere seriøst. Ud over urenheder, fugt og proces i elektrolytten er en anden grund, der adskiller sig fra grafitanoden, at lithiumtitanat ikke kan danne en SEI-film på overfladen som et grafitanodesystembatteri for at hæmme dens reaktion af elektrolytten. Under opladnings- og afladningsprocessen er elektrolytten altid i direkte kontakt med overfladen af ​​Li4Ti5O12, hvilket resulterer i kontinuerlig reduktion og nedbrydning af elektricitet på overfladen af ​​Li4Ti5O12-materialet, hvilket kan være grundårsagen til Li4Ti5O12-batteriets flatulens. Hovedkomponenterne i gassen er H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 og så videre. Når lithiumtitanat nedsænkes i elektrolytten alene, produceres kun CO2. Efter at det er lavet til et batteri med NCM-materialer, inkluderer de producerede gasser H2, CO2, CO og en lille mængde gasformige carbonhydrider. Under opladning og afladning produceres H2, og indholdet af H2 i den producerede gas på samme tid overstiger 50%. Dette indikerer, at der genereres H2- og CO-gas under opladnings- og afladningsprocessen.

LiPF6 har følgende balance i elektrolytten:

PF5 er en stærk syre, der let forårsager nedbrydning af carbonater, og mængden af ​​PF5 stiger med stigningen i temperaturen. PF5 hjælper elektrolytten med at nedbrydes for at producere CO2, CO og CxHy gas. Ifølge relaterede undersøgelser kommer dannelsen af ​​H2 fra sporingsvand i elektrolytten, men vandindholdet i elektrolytten er generelt ca. 20 × 10-6, hvilket bidrager meget lidt til produktionen af ​​H2. Wu Kai fra Shanghai Jiaotong University brugte grafit / NCM111 som batteri i sit eksperiment og konkluderede, at kilden til H2 er nedbrydningen af ​​carbonat under højspænding. På nuværende tidspunkt er der hovedsagelig tre løsninger til at hæmme flatulens af lithiumtitanatbatterier. For det første behandling og modifikation af LTO-anodematerialer, herunder forbedrede fremstillingsmetoder og overflademodifikation osv .; for det andet udvikling af elektrolytter, der matcher LTO-anoder, inklusive additiver, opløsningsmiddelsystem; For det tredje forbedres batteriteknologien.