Übersicht über die Fehleranalyse und den Fehlermechanismus von Lithium-Ionen-Batterien

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Die Erzeugung und das Wachstum des 1SEI-Films erfolgen in einem kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriesystem. Der Verlust der Batteriekapazität ist zum Teil auf die Nebenwirkung zwischen Graphit und organischem Elektrolyt zurückzuführen. Graphit reagiert leicht elektrochemisch mit dem organischen Lithium-Ionen-Elektrolyt. Die Lösungsmittel sind insbesondere Vinylcarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC). Beim ersten Laden der Lithium-Ionen-Batterie (Phase) kommt es zu einer Vermischung des negativen Elektrolyten und des Lithium-Ionen-Elektrolyten sowie zur Bildung einer Schicht aus einem Festelektrolyt-Grenzflächenfilm (SEI) auf der Graphitoberfläche, die einen Teil der irreversiblen Kapazität verursachen kann. Der SEI-Film gewährleistet die Übertragung von Ionen und schützt gleichzeitig die reaktive Substanz. Er verhindert außerdem die Stabilität des aktiven Materials und den Betrieb des aktiven Batteriematerials und verhindert gleichzeitig die aktive Substanz.

Da jedoch während des nachfolgenden Zyklus der Batterie durch die ständige Ausdehnung und Kontraktion des Elektrodenmaterials eine neue aktive Stelle freigelegt wird, kann dies zu einem kontinuierlichen Verlustfehlermechanismus führen, d. h. die Kapazität der Batterie wird kontinuierlich verringert. Dieser Fehlermechanismus kann auf den elektrochemischen Reduktionsprozess der Elektrodenoberfläche zurückgeführt werden, der sich in einer kontinuierlichen Zunahme der Dicke des SEI-Films äußert. Daher kann die Untersuchung der chemischen Komponenten und der Morphologie des SEI-Films eingehender erfolgen, was die Ursache für den Kapazitäts- und Leistungsabfall von Lithium-Ionen-Batterien ist.

SEI-Filmbildungsprozess In den letzten Jahren haben Forscher versucht, die Natur von SEI-Membranen durch Demontageexperimente an kleinen Batteriesystemen zu untersuchen. Der Demontageprozess der Batterie erfolgt in einer aerosolischen Inertgas-Handschuhbox ( <5 ppm). After the battery is disassembled, it can pass a nuclear magnetic resonance technology (NMR), a flight time secondary ion mass spectrometry (TEMS), a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), an atomic force microscope (AFM), X-ray absorption spectrum (XAF), and Infrared (FTIR) and Raman Spectroscopy and other test methods study the thickness, morphology, composition, growth process and mechanism of SEI membranes.

Obwohl viele Testmethoden verwendet wurden, um den SEI-Film zu charakterisieren, wird das tatsächliche Modell des in der Batterie wachsenden SEI-Films zur Charakterisierung auf fortgeschrittenere und direktere Weise verwendet. Die Schwierigkeit besteht darin, dass der SEI-Film aus einer Vielzahl von organischen und anorganischen Substanzen besteht, die Inhaltsstoffe komplex sind und sehr zerbrechlich sind und leicht auf die Umgebung reagieren. Wenn es nicht richtig ist, ist es schwierig, die wahren Informationen des SEI-Films zu erhalten.

Die Verdickung des SEI-Films ist eine typische elektrochemische parasitäre Nebenreaktion, die in engem Zusammenhang mit der Reaktionskinetik, dem Massentransferprozess und der Strukturgeometrie der Batterie steht. Allerdings führt die Veränderung des SEI-Films nicht direkt zu einem destruktiven Versagen, und seine Zersetzung führt lediglich zu einem Anstieg der Innentemperatur der Batterie, was wiederum zur Bildung von Zersetzungsgasen führen kann, und bei starker Hitze kommt es zu einem thermischen Ungleichgewicht. Bei der FMMEA wird die Bildung und das Wachstum des SEI-Films als Verlustmechanismus betrachtet, der zu einer Verringerung der Batteriekapazität und einer Erhöhung der internen Impedanz führen kann.

2 Lithiumdendriten entstehen, wenn die Batterie schnell mit einer Stromdichte geladen wird, die höher ist als ihr Nennstrom, und die negative Oberfläche kann leicht zu einem metallischen Lithiumdendriten geformt werden. Dieser dendritische Kristall kann leicht die Membran durchstechen und einen Kurzschluss in der Batterie verursachen. Diese Situation kann zu einem Ausfall oder zur Zerstörung der Batterie führen und lässt sich nur schwer erkennen, bevor es zu einem Kurzschluss der Batterie kommt.

In den letzten Jahren haben die Forscher die Wachstumsrate von Lithiumdendriten und die Beziehung zwischen der Wachstumsrate von Lithiumdendriten und der Lithiumionendiffusionskapazität von Lithiumdendriten untersucht. Experimente zeigen, dass das Wachstum von Lithium-Delegra in einem vollständigen Batteriesystem schwer zu erkennen oder zu beobachten ist und das aktuelle Modell auf das Wachstum von Lithium-Dendriten in einem einzelnen System beschränkt ist. Im Versuchssystem kann der Wachstumsprozess von Lithiumdendriten in der aus Quarzglas gefertigten transparenten Batterie vor Ort beobachtet werden.

Der Forscher Zhang Yuegono vom Suzhou Nanotechnology and Nano Bionic Research Institute in meinem Land hat den Entstehungsprozess von Lithiumdendriten (wie im Video gezeigt) mithilfe der Rasterelektronenmikroskop-Technologie (REM) aufgedeckt. Allerdings ist es im kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriesystem schwierig, die ursprüngliche Beobachtung von Lithiumzweigen zu erreichen. Die universelle Situation besteht darin, die Lithium-Zweigkristalle durch Zerlegen der Batterie zu beobachten.

Da die Aktivität im Lithiumzweig jedoch sehr hoch ist, ist es schwierig, die Details der Erzeugung zu analysieren. Zier et al. Es wurde vorgeschlagen, durch Färben der Elektrodenstruktur Elektroden-Elektronenmikrogramme zu zeichnen, um die Position der Dendriten zu bestimmen.

Wenn vor der Demontage der Batterie die Bildung eines Lithium-Verzweigungskristalls einen inneren Kurzschluss verursacht hat, kann dieser Teil des dendritischen Kristalls möglicherweise schwer zu erkennen sein, da der enorme Impulsstrom des inneren Kurzschlusses eine Lithium-Verzweigungskristallisierung verursachen kann. Die lokale mikroporöse Schließung der Membran lässt auf eine mögliche Wachstumsstelle für Lithiumdendriten schließen, diese Teile könnten jedoch teilweise überhitzt sein oder durch metallische Verunreinigungen verursacht worden sein. Daher ist die Weiterentwicklung von Ausfallmodellen zur Vorhersage der Entstehung von Lithiumverzweigungen und gleichzeitig zur Untersuchung der Lebensdauer- und Ausfallbeziehung unter verschiedenen Arbeitsbedingungen sehr sinnvoll.

3. Bei der Abgabe von Schnelllade- und Entlade- oder Elektrodenwirkstoffen ist die Verteilung der Aktivmaterialpartikel ungleichmäßig, das Aktivmaterial neigt zur Pulverbildung oder Fragmentierung. Im Allgemeinen kann es bei der Nutzung der Batterie zu einer Zerstörung der mikrometergroßen Partikel und der inneren Ionenspannung kommen. Der anfängliche Riss kann mittels SEM auf der Oberfläche der aktiven Materialpartikel beobachtet werden.

Durch die wiederholte Einlagerung von Lithiumionen vergrößern sich die Risse ständig, was zur Rissbildung der Partikel führt. Die Risspartikel legen die neue aktive Oberfläche frei und der SEI-Film wird auf der neuen Oberfläche erzeugt. Durch die Erforschung und Analyse der Einbettungsspannung von Lithiumionen können bessere Elektrodenmaterialien für Batterien entwickelt werden.

Christensen und Newman et al. Das erste eingebettete Spannungsmodell für Lithium-Ionen-Akkus wurde entwickelt, und andere Forscher haben verschiedene Materialien sowie die geometrische Morphologie von Materialien und Werkstoffen erweitert. Ein ioneneingebettetes Stressmodell wird es Forschern erleichtern, wirksamere Substanzen zu entwickeln.

Der Kapazitäts- und Leistungsverlust der aktiven Materialpartikel wird jedoch weiter untersucht und der Ausfallmechanismus der Partikelfragmentierung wird umfassend vorhergesagt, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien vorherzusagen. Durch die Volumenänderung des Elektrodenmaterials kann es außerdem dazu kommen, dass der Wirkstoff mit dem Stromkollektor ausgeladen wird, so dass dieser Teil des Wirkstoffs nicht mehr zur Verfügung steht. Der Lithium-Inkontinenzprozess des aktiven Materials wird von einer Ionenmigration und einer externen Elektronenmigration innerhalb der Batterie begleitet.

Da der Elektrolyt elektronisch isoliert ist, können ausschließlich Ionen zugeführt werden. Die Weiterleitung von Elektronen ist für das leitfähige Netzwerk wichtig, das durch das leitfähige Mittel an der Elektrodenoberfläche aufgebaut wird. Durch häufige Volumenänderungen des Elektrodenmaterials kann es dazu kommen, dass sich partiell aktive Substanzen aus dem leitfähigen Netzwerk bilden und ein isoliertes System entsteht, welches nicht mehr zur Verfügung steht.

Diese Änderung der Elektrodenstruktur kann durch Messen einer Methode wie beispielsweise der Porosität oder der spezifischen Oberfläche gemessen werden. Dieser Prozess kann auch durch Fräsen der Elektrodenoberfläche mit dem fokalen Ionenstrahl (FIB) durchgeführt werden, wobei SEM zur Durchführung morphologischer Beobachtungen oder Röntgentomographietests mit SEM verwendet wird. Das negative Si-Elektrodenmaterial wird gereinigt und vom leitfähigen Netzwerk gelöst.

Der positive Elektrodenwirkstoff des positiven Elektrodenwirkstoffs besteht meist aus Übergangsmetalloxiden wie Lithiumkobaltat (LiMn2O4) oder Lithiumpolyanatsalzen, Lithiumeisenphosphat (LifePo4). Bei den meisten positiven Wirkstoffen handelt es sich um eingebettete Reaktionsmechanismen, deren Belastungs- und Rezessionsmechanismen größtenteils auf den Granulatabfall und die oben beschriebene Wirkstoffbeschreibung zurückzuführen sind. Der SEI-Film wird auch von der Oberfläche der positiven Elektrode erzeugt und beeinflusst, aber die Oberfläche der positiven Elektrode hat ein hohes Potenzial und ihr SEI-Film ist sehr dünn und stabil.

Darüber hinaus ist das Material der positiven Elektrode auch anfällig für den Einfluss der internen Wärmeentwicklung, insbesondere wenn die Batterie überhitzt wird. Beim Laden wird der Elektrolyt unter hohem Druck instabil, was zu einem Elektrolyten und der aktiven Substanz der positiven Elektrode führt, wodurch die Innentemperatur der Batterie weiter ansteigt und das Material der positiven Elektrode Sauerstoff freisetzt. Eine weitere Aufrüstung führt zu einer außer Kontrolle geratenen Temperatur und damit zu einem Zerstörungsfehler der Batterie.

Das während der Vorladung entstehende positive Elektrodenmaterial kann mittels Gaschromatographie analysiert werden, um die Elektrodenmaterialstruktur durch Röntgenspektrumdetektion zu analysieren oder zu erkennen. Allerdings gibt es derzeit kein Fehlermodell, das einen Gasaustritt im Inneren der Batterie durch Überladung vorhersagen kann. Zusammenfassung: Der Ausfallmechanismus des positiven und negativen Elektrodenmaterials der Lithium-Ionen-Batterie ist wichtig für die Zersetzung der SEI-Membran, die Produktion von Lithium-Delegiertenkristallen oder Copperprin-Kristallen, das Pulver der aktiven Materialpartikel und das Wärmezersetzungsgas usw.

Darunter fallen Lithiumderivate oder Kupferlegierungen, bei denen es durch die thermische Unkontrollierbarkeit der Zelle leicht zur Bildung von Materialzersetzungsgasen kommt, die zur Verbrennung der Batterie und sogar zur Explosion führen können. Der Ausfall von Lithium-Ionen-Batterien wird im Faded-Modus analysiert und der Mechanismus wird durch Optimierung des Materials und der Struktur der Batterie optimiert und die Umweltverträglichkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Batterie verbessert. Daher kommt der Batterie eine ganz wichtige Leitbedeutung für die Herstellung und praktische Anwendung zu.