Επισκόπηση της ανάλυσης αστοχίας και του μηχανισμού σφάλματος της μπαταρίας ιόντων λιθίου

著者：Iflowpower – Dodavatel přenosných elektráren

Η δημιουργία και η ανάπτυξη του φιλμ 1SEI γίνεται σε ένα εμπορικό σύστημα μπαταρίας ιόντων λιθίου και το τμήμα απώλειας χωρητικότητας της μπαταρίας οφείλεται στην παρενέργεια μεταξύ γραφίτη και οργανικού ηλεκτρολύτη και ο γραφίτης αντιδρά εύκολα ηλεκτροχημικά με οργανικό ηλεκτρολύτη ιόντων λιθίου, ειδικά ο διαλύτης είναι ανθρακικό βινύλιο (EC) και ανθρακικό διμεθύλιο (DMC). Όταν η μπαταρία ιόντων λιθίου βρίσκεται κατά την πρώτη φόρτιση (στάδιο), εμφανίστηκε ο αρνητικός ηλεκτρολύτης και ο ηλεκτρολύτης ιόντων λιθίου και ο ηλεκτρολύτης ιόντων λιθίου και σχηματίζεται ένα στρώμα μεμβράνης διεπαφής στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) στην επιφάνεια γραφίτη, το οποίο μπορεί να προκαλέσει ένα μέρος της μη αναστρέψιμης χωρητικότητας. Η μεμβράνη SEI διασφαλίζει τη μετάδοση ιόντων ενώ προστατεύει τη δραστική ουσία και αποτρέπει τη σταθερότητα της λειτουργίας του ενεργού υλικού του ενεργού υλικού της μπαταρίας ενώ αποτρέπει τη δραστική ουσία.

Ωστόσο, κατά τη διάρκεια του επόμενου κύκλου της μπαταρίας, καθώς η συνεχής διαστολή και συστολή του υλικού του ηλεκτροδίου προκαλεί την έκθεση μιας νέας ενεργής θέσης, αυτό μπορεί να προκαλέσει έναν μηχανισμό αστοχίας συνεχούς απώλειας, δηλαδή, η χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται συνεχώς. Αυτός ο μηχανισμός αστοχίας μπορεί να αποδοθεί στην ηλεκτροχημική διαδικασία αναγωγής της επιφάνειας του ηλεκτροδίου, η οποία εκφράζεται ως η συνεχής αύξηση του πάχους του φιλμ SEI. Ως εκ τούτου, η μελέτη των χημικών συστατικών και της μορφολογίας του φιλμ SEI μπορεί να είναι πιο εις βάθος, η αιτία της χωρητικότητας της μπαταρίας ιόντων λιθίου και της μείωσης ισχύος.

Διαδικασία σχηματισμού φιλμ SEI Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές προσπάθησαν να μελετήσουν τη φύση των μεμβρανών SEI μέσω πειραμάτων αποσυναρμολόγησης συστημάτων μικρών μπαταριών. Η διαδικασία αποσυναρμολόγησης της μπαταρίας πραγματοποιείται σε ντουλαπάκι αερολυμάτων αδρανούς αερίου ( <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.

Αν και έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές μέθοδοι δοκιμής για τον χαρακτηρισμό του φιλμ SEI, το πραγματικό μοντέλο του φιλμ SEI μεγαλώνει στην μπαταρία χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει πιο προηγμένους και άμεσους τρόπους. Η δυσκολία είναι ότι το φιλμ SEI είναι πολύπλοκο με μια ποικιλία ουσιών όπως οργανικές και ανόργανες, και το συστατικό είναι πολύπλοκο και είναι πολύ εύθραυστο και εύκολο να ανταποκρίνεται στο περιβάλλον. Εάν είναι ακατάλληλο, είναι δύσκολο να αποκτήσετε τις αληθινές πληροφορίες της ταινίας SEI.

Η πάχυνση του φιλμ SEI είναι μια τυπική ηλεκτροχημική παρασιτική πλευρική αντίδραση, η οποία έχει στενή σχέση με την κινητική της αντίδρασης, τη διαδικασία μεταφοράς μάζας και τη δομική γεωμετρία της μπαταρίας. Ωστόσο, η αλλαγή του φιλμ SEI δεν οδηγεί άμεσα σε αποτυχία καταστροφικής αστοχίας και η αποσύνθεσή του θα προκαλέσει μόνο αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας της μπαταρίας, η οποία με τη σειρά της μπορεί να προκαλέσει το αέριο αποσύνθεσης και η έντονη θερμότητα θα προκαλέσει θερμικό εκτός ελέγχου. Στο FMMEA, ο σχηματισμός και η ανάπτυξη του φιλμ SEI θεωρείται μηχανισμός απώλειας, ο οποίος μπορεί να προκαλέσει τη μείωση της χωρητικότητας της μπαταρίας και την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης.

2 Παράγονται δενδρίτες λιθίου, εάν η μπαταρία φορτιστεί γρήγορα με πυκνότητα ρεύματος μεγαλύτερη από το ονομαστικό ρεύμα της, και η αρνητική επιφάνεια σχηματίζεται εύκολα για να σχηματίσει ένα μεταλλικό δενδρίδιο λιθίου. Αυτός ο δενδριτικός κρύσταλλος είναι εύκολο να τρυπήσει το διάφραγμα, προκαλώντας βραχυκύκλωμα στο εσωτερικό της μπαταρίας. Αυτή η κατάσταση μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία καταστροφής της μπαταρίας και είναι δύσκολο να εντοπιστεί πριν βραχυκυκλωθεί η μπαταρία.

Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές μελέτησαν τον ρυθμό ανάπτυξης του δενδρίτη λιθίου και τη σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης των δενδριτών λιθίου και της ικανότητας διάχυσης ιόντων λιθίου των δενδριτών του λιθίου. Τα πειράματα δείχνουν ότι η ανάπτυξη του λιθίου delegra είναι δύσκολο να ανιχνευθεί ή να παρατηρηθεί σε ένα πλήρες σύστημα μπαταρίας και το τρέχον μοντέλο περιορίζεται στην ανάπτυξη δενδριτών λιθίου σε ένα μόνο σύστημα. Στο πειραματικό σύστημα, η διαφανής μπαταρία που κατασκευάζεται από γυαλί χαλαζία μπορεί να παρατηρήσει τη διαδικασία ανάπτυξης των δενδριτών λιθίου in situ.

Ο ερευνητής Zhang Yuegono στο Suzhou Nanotechnology and Nano Bionic Research Institute στη χώρα μου αποκάλυψε τη διαδικασία σχηματισμού της τεχνολογίας δενδριτών λιθίου (όπως φαίνεται στο βίντεο) στην τεχνολογία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Ωστόσο, στο εμπορικό σύστημα μπαταριών ιόντων λιθίου, είναι δύσκολο να επιτευχθεί η αρχική παρατήρηση των κλαδιών λιθίου. Η γενική κατάσταση είναι να παρατηρήσετε τους κρυστάλλους του κλάδου λιθίου αποσυναρμολογώντας την μπαταρία.

Ωστόσο, επειδή η δραστηριότητα του κλάδου λιθίου είναι πολύ υψηλή, είναι δύσκολο να αναλυθούν οι λεπτομέρειες της γενιάς. Zier et al. Προτείνεται να αντληθούν ηλεκτρονιακά μικρογραμμάρια ηλεκτροδίων βάφοντας τη δομή του ηλεκτροδίου για να προσδιοριστεί η θέση των δενδριτών.

Εάν πριν από την αποσυναρμολόγηση της μπαταρίας, η δημιουργία κρυστάλλου διακλάδωσης λιθίου έχει προκαλέσει το εσωτερικό βραχυκύκλωμα στο εσωτερικό, τότε αυτό το τμήμα του δενδριτικού κρυστάλλου μπορεί να είναι δύσκολο να παρατηρηθεί επειδή το τεράστιο παλμικό ρεύμα του εσωτερικού βραχυκυκλώματος μπορεί να προκαλέσει κρυστάλλωση κλάδου λιθίου. Το τοπικό μικροπορώδες κλείσιμο του διαφράγματος υποδηλώνει ότι η πιθανή θέση ανάπτυξης των δενδριτών του λιθίου, αλλά αυτά τα μέρη μπορεί να υπερθερμανθούν μερικώς ή να προκαλούνται από ρύπους μεταλλικών ακαθαρσιών. Ως εκ τούτου, περαιτέρω ανάπτυξη μοντέλων αστοχίας για την πρόβλεψη της εμφάνισης κλάδων λιθίου, και ταυτόχρονα, είναι πολύ σημαντικό να μελετηθεί η σχέση ζωής και αστοχίας κάτω από διαφορετικές συνθήκες εργασίας.

3 Η επικονίαση των σωματιδίων του ενεργού υλικού είναι ανομοιόμορφη στη διανομή ταχείας φόρτισης και εκφόρτισης ή ενεργού ουσίας ηλεκτροδίου, το δραστικό υλικό είναι επιρρεπές σε σκόνη ή κατακερματισμό. Γενικά, καθώς η μπαταρία επεκτείνεται, τα σωματίδια μεγέθους μικρού, η εσωτερική πίεση του ιόντος μπορεί να σπάσει. Η αρχική ρωγμή μπορεί να παρατηρηθεί από το SEM στην επιφάνεια των σωματιδίων του ενεργού υλικού.

Καθώς η επαναλαμβανόμενη ενσωμάτωση ιόντων λιθίου, οι ρωγμές επεκτείνονται συνεχώς, με αποτέλεσμα τα σωματίδια να ραγίζουν. Τα σωματίδια πυρόλυσης θα εκθέσουν τη νέα ενεργή επιφάνεια και το φιλμ SEI δημιουργείται στη νέα επιφάνεια. Με έρευνα και ανάλυση της πίεσης ενσωμάτωσης ιόντων λιθίου, καλύτερος σχεδιασμός υλικών ηλεκτροδίων μπαταρίας.

Christensen και Newman et al. Ανέπτυξε το αρχικό μοντέλο ενσωματωμένης τάσης ιόντων λιθίου και άλλοι ερευνητές έχουν επεκτείνει διαφορετικά υλικά και τη γεωμετρική μορφολογία των υλικών και των υλικών. Το μοντέλο καταπόνησης ενσωματωμένου ιόντος θα διευκολύνει τους ερευνητές να σχεδιάσουν περισσότερες δραστικές ουσίες.

Ωστόσο, η απώλεια χωρητικότητας και ισχύος των σωματιδίων ενεργού υλικού μελετάται περαιτέρω και ο μηχανισμός αστοχίας του κατακερματισμού σωματιδίων προβλέπεται πλήρως για την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου. Η αλλαγή όγκου του υλικού του ηλεκτροδίου μπορεί επίσης να προκαλέσει την εκφόρτωση της δραστικής ουσίας με τον συλλέκτη ρεύματος, έτσι ώστε αυτό το μέρος της δραστικής ουσίας να μην είναι διαθέσιμο. Η διεργασία του ενσωματωμένου λιθίου του ενεργού υλικού συνοδεύεται από μετανάστευση ιόντων και εξωτερική μετανάστευση ηλεκτρονίων εντός της μπαταρίας.

Δεδομένου ότι ο ηλεκτρολύτης είναι ηλεκτρονικά μονωμένος, μόνο ιόντα μπορούν να τροφοδοτηθούν. Η αγωγή των ηλεκτρονίων είναι σημαντική για το αγώγιμο δίκτυο που κατασκευάζεται από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου από τον αγώγιμο παράγοντα. Οι συχνές αλλαγές στον όγκο του υλικού του ηλεκτροδίου μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα μερικές δραστικές ουσίες από το αγώγιμο δίκτυο να σχηματίσουν ένα απομονωμένο σύστημα, το οποίο δεν είναι διαθέσιμο.

Αυτή η αλλαγή στη δομή του ηλεκτροδίου μπορεί να μετρηθεί με τη μέτρηση μιας μεθόδου όπως το πορώδες ή μια συγκεκριμένη επιφάνεια. Αυτή η διαδικασία μπορεί επίσης να αλεσθεί με άλεση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου χρησιμοποιώντας τη δέσμη εστιακών ιόντων (FIB), χρησιμοποιώντας SEM για την εκτέλεση μορφολογικής παρατήρησης ή δοκιμή τομογραφίας ακτίνων Χ χρησιμοποιώντας SEM. Το υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου Si καθαρίζεται και αποδεσμεύεται από το αγώγιμο δίκτυο.

Η δραστική ουσία θετικού ηλεκτροδίου της δραστικής ουσίας θετικού ηλεκτροδίου είναι ως επί το πλείστον οξείδιο μετάλλου μεταπτώσεως, όπως κοβαλτικό λίθιο (LiMn2O4), ή πολυανικό άλας λιθίου, φωσφορικός σίδηρος λιθίου (LifePo4). Οι περισσότερες από τις θετικές δραστικές ουσίες είναι ενσωματωμένοι μηχανισμοί αντίδρασης και οι μηχανισμοί στρες και οι μηχανισμοί ύφεσης οφείλονται κυρίως στην πτώση των κόκκων και στην περιγραφή των δραστικών ουσιών παραπάνω. Το φιλμ SEI παράγεται επίσης και επηρεάζεται από την επιφάνεια του θετικού ηλεκτροδίου, αλλά η επιφάνεια του θετικού ηλεκτροδίου έχει υψηλό δυναμικό και το φιλμ SEI του είναι πολύ λεπτό και σταθερό.

Επιπλέον, το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου είναι επίσης επιρρεπές στην επίδραση της εσωτερικής παραγωγής θερμότητας, ειδικά όταν η μπαταρία είναι υπερφορτωμένη. Τη στιγμή της φόρτισης, ο ηλεκτρολύτης γίνεται ασταθής υπό υψηλή πίεση, με αποτέλεσμα έναν ηλεκτρολύτη και τη δραστική ουσία του θετικού ηλεκτροδίου, η οποία προκαλεί την εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας να συνεχίσει να αυξάνεται και το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου απελευθερώνει οξυγόνο. Περαιτέρω αναβάθμιση, με αποτέλεσμα τη θερμική εκτός ελέγχου, θα προκαλέσει αστοχία καταστροφής της μπαταρίας.

Το θετικό υλικό του ηλεκτροδίου που εμφανίζεται κατά την προφόρτιση μπορεί να αναλυθεί με αέρια χρωματογραφία για ανάλυση ή ανίχνευση της δομής του υλικού του ηλεκτροδίου με τη δομή υλικού ηλεκτροδίου ανίχνευσης φάσματος ακτίνων Χ. Ωστόσο, δεν υπάρχει επί του παρόντος κανένα μοντέλο αστοχίας που να μπορεί να προβλέψει το εσωτερικό της μπαταρίας από υπερφόρτιση υπερχείλισης αερίου. Περίληψη: Η λειτουργία μηχανισμού αστοχίας του υλικού θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι σημαντική για την αποσύνθεση της μεμβράνης SEI, την παραγωγή κρυστάλλων με λίθιο ή κρυστάλλων χαλκού, τη σκόνη των σωματιδίων του ενεργού υλικού και το αέριο αποσύνθεσης θερμότητας κ.λπ.

Ανάμεσά τους, η παραγωγή παραγώγων λιθίου ή χάλκινων αποθεμάτων, το αέριο αποσύνθεσης του υλικού προκαλείται εύκολα από τη θερμική εκτός ελέγχου του στοιχείου, προκαλώντας την καύση της μπαταρίας, ακόμη και την έκρηξη. Η αστοχία των μπαταριών ιόντων λιθίου αναλύεται με τη λειτουργία ξεθωριασμένης λειτουργίας και ο μηχανισμός βελτιστοποιείται βελτιστοποιώντας το υλικό, τη δομή της μπαταρίας και βελτιώνοντας την περιβαλλοντική προσαρμοστικότητα, την αξιοπιστία και την ασφάλεια της μπαταρίας. Επομένως, υπάρχει μια πολύ σημαντική κατευθυντήρια σημασία για την παραγωγή και την πρακτική εφαρμογή της μπαταρίας.