بررسی اجمالی تجزیه و تحلیل خرابی و مکانیسم عیب باتری لیتیوم یونی

著者：Iflowpower – Portable Power Station ပေးသွင်းသူ

تولید و رشد فیلم 1SEI در یک سیستم باتری لیتیوم یون تجاری است و قسمت کاهش ظرفیت باتری ناشی از اثر جانبی بین گرافیت و الکترولیت آلی است و گرافیت به راحتی با الکترولیت آلی یون لیتیوم واکنش الکتروشیمیایی می دهد، به ویژه حلال کربنات وینیل (EC) و کربنات دی متیل (DMC) است. هنگامی که باتری لیتیوم یونی در اولین شارژ (مرحله) است، الکترولیت منفی و الکترولیت یون لیتیوم رخ می دهد و الکترولیت یون لیتیوم رخ می دهد و لایه ای از لایه رابط الکترولیت جامد (SEI) در سطح گرافیت تشکیل می شود که می تواند باعث ایجاد بخشی از ظرفیت برگشت ناپذیر شود. فیلم SEI انتقال یون ها را تضمین می کند و در عین حال از ماده واکنش دهنده محافظت می کند و از پایداری عملکرد ماده فعال ماده فعال باتری جلوگیری می کند و در عین حال از ماده فعال جلوگیری می کند.

با این حال، در طول چرخه بعدی باتری، از آنجایی که انبساط و انقباض مداوم مواد الکترود باعث آشکار شدن یک مکان فعال جدید می‌شود، این می‌تواند باعث یک مکانیسم شکست مداوم از دست دادن شود، یعنی ظرفیت باتری به طور مداوم کاهش می‌یابد. این مکانیسم شکست را می توان به فرآیند کاهش الکتروشیمیایی سطح الکترود نسبت داد که به صورت افزایش مداوم ضخامت فیلم SEI بیان می شود. بنابراین، مطالعه اجزای شیمیایی فیلم SEI و مورفولوژی می تواند عمیق تر، علت ظرفیت باتری لیتیوم یون و کاهش قدرت باشد.

فرآیند تشکیل فیلم SEI در سال‌های اخیر، محققان سعی کرده‌اند ماهیت غشاهای SEI را از طریق آزمایش‌های برچیدن سیستم‌های باتری کوچک مطالعه کنند. فرآیند جداسازی باتری در جعبه دستکش گاز خنثی آئروسلیک انجام می شود ( <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.

اگرچه روش‌های تست زیادی برای مشخص کردن فیلم SEI استفاده شده است، مدل واقعی فیلم SEI که در باتری رشد می‌کند برای مشخص کردن راه‌های پیشرفته‌تر و مستقیم‌تر استفاده می‌شود. مشکل این است که فیلم SEI با مواد مختلفی مانند آلی و معدنی پیچیده است و مواد تشکیل دهنده آن پیچیده است و بسیار شکننده است و به راحتی به محیط پاسخ می دهد. اگر نامناسب باشد، دستیابی به اطلاعات واقعی فیلم SEI دشوار است.

ضخیم شدن فیلم SEI یک واکنش جانبی انگلی الکتروشیمیایی معمولی است که رابطه نزدیکی با سینتیک واکنش، فرآیند انتقال جرم و هندسه ساختاری باتری دارد. با این حال، تغییر فیلم SEI مستقیماً منجر به خرابی خرابی مخرب نمی شود و تجزیه آن تنها باعث افزایش دمای داخلی باتری می شود که به نوبه خود می تواند باعث گاز تجزیه شود و گرمای شدید باعث خارج شدن حرارت از کنترل می شود. در FMMEA، تشکیل و رشد فیلم SEI یک مکانیسم از دست دادن در نظر گرفته می شود که می تواند باعث کاهش ظرفیت باتری و افزایش امپدانس داخلی شود.

اگر باتری به سرعت با چگالی جریان بالاتر از جریان نامی خود شارژ شود، دندریت‌های لیتیوم تولید می‌شوند و سطح منفی به راحتی تشکیل می‌شود تا یک دندرید لیتیوم فلزی تشکیل شود. این کریستال دندریتی به راحتی دیافراگم را سوراخ می کند و باعث ایجاد اتصال کوتاه در داخل باتری می شود. این وضعیت ممکن است منجر به خرابی باتری شود و تشخیص آن قبل از اتصال کوتاه باتری دشوار است.

در سال‌های اخیر، محققان سرعت رشد دندرید لیتیوم و رابطه بین سرعت رشد دندریت‌های لیتیوم و ظرفیت انتشار یون لیتیوم دندریت‌های لیتیوم را مورد مطالعه قرار داده‌اند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که تشخیص یا مشاهده رشد لیتیوم دگررا در یک سیستم باتری کامل دشوار است و مدل فعلی محدود به رشد دندریت‌های لیتیوم در یک سیستم واحد است. در سیستم آزمایشی، باتری شفاف ساخته شده توسط شیشه کوارتز می تواند روند رشد دندریت های لیتیوم را در محل مشاهده کند.

محقق Zhang Yuegono در سوژو نانوتکنولوژی و موسسه تحقیقات نانو بیونیک در کشور من فرآیند تشکیل دندریت های لیتیوم (همانطور که در ویدئو نشان داده شده است) در فناوری میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) را آشکار کرده است. با این حال، در سیستم باتری لیتیوم یون تجاری، دستیابی به مشاهده اصلی شاخه های لیتیوم دشوار است. وضعیت جهانی این است که با از بین بردن باتری، کریستال های شاخه لیتیوم آن را مشاهده کنید.

با این حال، از آنجایی که فعالیت شاخه لیتیومی بسیار زیاد است، تجزیه و تحلیل جزئیات نسل دشوار است. زیر و همکاران ترسیم میکروگرم الکترود الکترود با رنگرزی ساختار الکترود برای تعیین موقعیت دندریت ها پیشنهاد شده است.

اگر قبل از جداسازی باتری، تولید کریستال شاخه لیتیوم باعث اتصال کوتاه داخلی در داخل شده باشد، مشاهده این قسمت از کریستال دندریتیک ممکن است دشوار باشد زیرا جریان پالس عظیم اتصال کوتاه داخلی ممکن است باعث تبلور شاخه لیتیوم شود. بسته شدن ریز متخلخل موضعی دیافراگم نشان می دهد که موقعیت رشد احتمالی دندریت های لیتیومی وجود دارد، اما این قسمت ها ممکن است تا حدی بیش از حد گرم شوند یا ناشی از آلاینده های ناخالصی فلزی باشند. بنابراین، توسعه بیشتر مدل‌های شکست برای پیش‌بینی ظهور شاخه‌های لیتیومی، و در عین حال، مطالعه رابطه عمر و شکست در شرایط کاری مختلف بسیار معنادار است.

3 گرده افشانی ذرات ماده فعال در توزیع بار و تخلیه سریع یا ماده فعال الکترود ناهموار است، ماده فعال مستعد پودر یا تکه تکه شدن است. به طور کلی، با افزایش باتری، ذرات میکرون، استرس داخلی یون ممکن است شکسته شود. ترک اولیه را می توان توسط SEM روی سطح ذرات ماده فعال مشاهده کرد.

با جاسازی مکرر یون‌های لیتیوم، ترک‌ها دائماً در حال گسترش هستند و در نتیجه ذرات ترک می‌خورند. ذرات ترک خورده سطح فعال جدید را در معرض دید قرار می دهند و فیلم SEI روی سطح جدید تولید می شود. با تحقیق و تجزیه و تحلیل استرس تعبیه یون لیتیوم، مواد الکترود باتری را بهتر طراحی کرد.

کریستنسن و نیومن و همکاران. مدل تنش جاسازی شده لیتیوم-یون اولیه را توسعه دادند و سایر محققان مواد مختلف و مورفولوژی هندسی مواد و مواد را گسترش دادند. مدل تنش تعبیه شده یونی، محققان را برای طراحی مواد فعال بیشتر تسهیل می کند.

با این حال، از دست دادن ظرفیت و قدرت ذرات ماده فعال بیشتر مورد مطالعه قرار می گیرد و مکانیسم شکست تکه تکه شدن ذرات به طور جامع برای پیش بینی عمر باتری های لیتیوم یون پیش بینی می شود. تغییر حجم ماده الکترود نیز می تواند باعث تخلیه ماده فعال با کلکتور جریان شود تا این قسمت از ماده فعال در دسترس نباشد. فرآیند لیتیوم نامنظم ماده فعال با مهاجرت یون و مهاجرت الکترون خارجی در داخل باتری همراه است.

از آنجایی که الکترولیت به صورت الکترونیکی عایق شده است، فقط یون ها می توانند عرضه شوند. هدایت الکترون ها برای شبکه رسانای ساخته شده توسط سطح الکترود توسط عامل رسانا مهم است. تغییرات مکرر در حجم مواد الکترود می تواند منجر به مواد فعال جزئی از شبکه رسانا شود تا یک سیستم جدا شده را تشکیل دهد که در دسترس نیست.

این تغییر در ساختار الکترود را می توان با اندازه گیری روشی مانند تخلخل یا یک سطح خاص اندازه گیری کرد. این فرآیند همچنین می تواند با آسیاب کردن سطح الکترود با استفاده از پرتو یون کانونی (FIB)، با استفاده از SEM برای انجام مشاهدات مورفولوژیکی یا تست توموگرافی اشعه ایکس با استفاده از SEM آسیاب شود. مواد الکترود منفی Si تمیز شده و از شبکه رسانا جدا می شود.

ماده فعال الکترود مثبت ماده فعال الکترود مثبت عمدتاً اکسید فلزات واسطه است، مانند لیتیوم کبالتات (LiMn2O4)، یا نمک لیتیوم پلی آنات، فسفات آهن لیتیوم (LifePo4). بیشتر مواد فعال مثبت، مکانیسم‌های واکنش تعبیه‌شده هستند و مکانیسم‌های استرس و مکانیسم‌های رکود آنها بیشتر به دلیل ریزش گرانول‌ها و شرح مواد فعال در بالا است. فیلم SEI نیز از سطح الکترود مثبت تولید و تحت تأثیر قرار می گیرد، اما سطح الکترود مثبت پتانسیل بالایی دارد و فیلم SEI آن بسیار نازک و پایدار است.

علاوه بر این، مواد الکترود مثبت نیز مستعد تأثیر تولید گرمای داخلی است، به ویژه هنگامی که باتری بیش از حد شارژ می شود. در زمان شارژ، الکترولیت تحت فشار بالا ناپایدار می شود که منجر به الکترولیت و ماده فعال الکترود مثبت می شود که باعث می شود دمای داخلی باتری همچنان افزایش یابد و ماده الکترود مثبت اکسیژن آزاد می کند. ارتقاء بیشتر، و در نتیجه خارج شدن از کنترل حرارتی، باعث خرابی باتری می شود.

ماده الکترود مثبتی که در طول پیش شارژ رخ می دهد را می توان با کروماتوگرافی گازی برای تجزیه و تحلیل یا تشخیص ساختار ماده الکترود توسط ساختار مواد الکترود تشخیص طیف اشعه ایکس تجزیه و تحلیل کرد. با این حال، در حال حاضر هیچ مدل خرابی وجود ندارد که بتواند داخل باتری را با سرریز بیش از حد گاز پیش بینی کند. خلاصه: حالت مکانیسم خرابی مواد الکترود مثبت و منفی باتری لیتیوم یون برای تجزیه غشای SEI، تولید کریستال های لیتیوم یا کریستال مس پرین، پودر ذرات ماده فعال و گاز تجزیه گرما و غیره مهم است.

در میان آنها، تولید مشتقات لیتیوم یا دلالت های مس، گاز تجزیه مواد به راحتی توسط حرارت خارج از کنترل سلول ایجاد می شود، باعث احتراق باتری و حتی انفجار می شود. خرابی باتری‌های لیتیوم یونی با حالت محو شده تحلیل می‌شود و مکانیسم با بهینه‌سازی مواد، ساختار باتری و بهبود سازگاری محیطی، قابلیت اطمینان و ایمنی باتری بهینه می‌شود. بنابراین، اهمیت بسیار مهمی برای تولید و کاربرد عملی باتری وجود دارد.