ლითიუმ-იონური ბატარეის გაუმართაობის ანალიზისა და გაუმართაობის მექანიზმის მიმოხილვა

著者：Iflowpower – Fornitur Portable Power Station

1SEI ფილმის წარმოქმნა და ზრდა ხდება ლითიუმ-იონური ბატარეის კომერციულ სისტემაში, და ბატარეის სიმძლავრის დაკარგვის ნაწილი არის გვერდითი ეფექტი გრაფიტსა და ორგანულ ელექტროლიტს შორის, ხოლო გრაფიტი ადვილად ექვემდებარება ელექტროქიმიურ რეაქციას ლითიუმის იონის ორგანულ ელექტროლიტთან, განსაკუთრებით გამხსნელი არის ვინილის კარბონატი (EC) და დიმეთილ კარბონატი (DMC). როდესაც ლითიუმ-იონური ბატარეა არის პირველი დატენვისას (ეტაპზე), წარმოიშვა უარყოფითი ელექტროლიტი და ლითიუმის იონური ელექტროლიტი და ლითიუმის იონური ელექტროლიტი და გრაფიტის ზედაპირზე წარმოიქმნება მყარი ელექტროლიტური ინტერფეისის (SEI) ფილმის ფენა, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს შეუქცევადი სიმძლავრის ნაწილი. SEI ფილმი უზრუნველყოფს იონების გადაცემას რეაქტიული ნივთიერების დაცვისას და ხელს უშლის ბატარეის აქტიური მასალის აქტიური მასალის მუშაობის სტაბილურობას აქტიური ნივთიერების პრევენციის დროს.

თუმცა, ბატარეის შემდგომი ციკლის დროს, ვინაიდან ელექტროდის მასალის მუდმივი გაფართოება და შეკუმშვა იწვევს ახალი აქტიური ადგილის გამოვლენას, ამან შეიძლება გამოიწვიოს უწყვეტი დაკარგვის უკმარისობის მექანიზმი, ანუ ბატარეის სიმძლავრე მუდმივად იკლებს. წარუმატებლობის ეს მექანიზმი შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ელექტროდის ზედაპირის ელექტროქიმიურ შემცირების პროცესს, რაც გამოიხატება SEI ფილმის სისქის უწყვეტი ზრდით. აქედან გამომდინარე, SEI ფილმის ქიმიური კომპონენტებისა და მორფოლოგიის შესწავლა შეიძლება იყოს უფრო სიღრმისეული, ლითიუმ-იონური ბატარეის სიმძლავრის და სიმძლავრის შემცირების მიზეზი.

SEI ფირის ფორმირების პროცესი ბოლო წლებში მკვლევარები ცდილობდნენ შეესწავლათ SEI მემბრანების ბუნება მცირე ბატარეის სისტემების დემონტაჟის ექსპერიმენტებით. ბატარეის დაშლის პროცესი ხორციელდება აეროზოლური ინერტული აირის ხელთათმანების ყუთში ( <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.

მიუხედავად იმისა, რომ მრავალი ტესტის მეთოდი იქნა გამოყენებული SEI ფილმის დასახასიათებლად, SEI ფილმის რეალური მოდელი, რომელიც იზრდება ბატარეაში, გამოიყენება უფრო მოწინავე და პირდაპირი გზების დასახასიათებლად. სირთულე იმაში მდგომარეობს, რომ SEI ფილმი გართულებულია სხვადასხვა ნივთიერებებით, როგორიცაა ორგანული და არაორგანული, და ინგრედიენტი რთულია და ძალიან მყიფეა და ადვილად რეაგირებს გარემოზე. თუ ის არასწორია, ძნელია SEI ფილმის ჭეშმარიტი ინფორმაციის მოპოვება.

SEI ფილმის გასქელება არის ტიპიური ელექტროქიმიური პარაზიტული გვერდითი რეაქცია, რომელსაც აქვს მჭიდრო კავშირი რეაქციის კინეტიკასთან, მასის გადაცემის პროცესთან და ბატარეის სტრუქტურულ გეომეტრიასთან. თუმცა, SEI ფირის შეცვლა პირდაპირ არ იწვევს დესტრუქციული უკმარისობის უკმარისობას და მისი დაშლა გამოიწვევს მხოლოდ ბატარეის შიდა ტემპერატურის მატებას, რაც თავის მხრივ შეიძლება გამოიწვიოს გაზის დაშლა, ხოლო ძლიერი სიცხე გამოიწვევს თერმული კონტროლის გამოტოვებას. FMMEA-ში SEI ფილმის ფორმირება და ზრდა განიხილება დაკარგვის მექანიზმად, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის სიმძლავრის შემცირება და შიდა წინაღობის გაზრდა.

2 ლითიუმის დენდრიტები წარმოიქმნება, თუ ბატარეა სწრაფად იტენება დენის სიმკვრივით, ვიდრე მისი ნომინალური დენი, და ნეგატიური ზედაპირი ადვილად ყალიბდება ლითონის ლითიუმის დენდრიდის წარმოქმნით. ეს დენდრიტული კრისტალი ადვილად ხვრეტავს დიაფრაგმას, რაც იწვევს ბატარეის შიგნით მოკლე ჩართვას. ამ სიტუაციამ შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის განადგურების წარუმატებლობა და ძნელია ამოცნობა ბატარეის მოკლე ჩართვამდე.

ბოლო წლების განმავლობაში, მკვლევარებმა შეისწავლეს ლითიუმის დენდრიდის ზრდის ტემპი და კავშირი ლითიუმის დენდრიტების ზრდის სიჩქარესა და ლითიუმის დენდრიტების ლითიუმის იონის დიფუზიის შესაძლებლობებს შორის. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ლითიუმის დელეგრას ზრდა ძნელია ამოცნობა ან დაკვირვება სრულ ბატარეის სისტემაში და ამჟამინდელი მოდელი შემოიფარგლება ლითიუმის დენდრიტების ზრდით ერთი სისტემის ქვეშ. ექსპერიმენტულ სისტემაში, კვარცის მინის მიერ აგებულ გამჭვირვალე ბატარეას შეუძლია დააკვირდეს ლითიუმის დენდრიტების ზრდის პროცესს ადგილზე.

ჟანგ იუეგონოს მკვლევარმა სუჟოუს ნანოტექნოლოგიისა და ნანო ბიონიკის კვლევით ინსტიტუტში ჩემს ქვეყანაში გამოავლინა ლითიუმის დენდრიტების (როგორც ვიდეოში ნაჩვენები) ტექნოლოგიის ფორმირების პროცესი სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) ტექნოლოგიაში. თუმცა, კომერციული ლითიუმ-იონური ბატარეის სისტემაში ძნელია ლითიუმის ტოტებზე ორიგინალური დაკვირვების მიღწევა. უნივერსალური სიტუაციაა მისი ლითიუმის ტოტის კრისტალების დაკვირვება ბატარეის დემონტაჟით.

თუმცა, რადგან ლითიუმის ტოტის აქტივობა ძალიან მაღალია, რთულია თაობის დეტალების ანალიზი. ზიერი და სხვ. შემოთავაზებულია ელექტროდის ელექტრონული მიკროგრამების დახატვა ელექტროდის სტრუქტურის შეღებვით დენდრიტების პოზიციის დასადგენად.

თუ ბატარეის დაშლამდე ლითიუმის ტოტის კრისტალის წარმოქმნამ გამოიწვია შიდა მოკლე ჩართვა, მაშინ დენდრიტული ბროლის ამ ნაწილის დაკვირვება შეიძლება რთული იყოს, რადგან შიდა მოკლე ჩართვის პულსის უზარმაზარმა დენმა შეიძლება გამოიწვიოს ლითიუმის ტოტის კრისტალიზაცია. დიაფრაგმის ადგილობრივი მიკროფოროვანი დახურვა ვარაუდობს, რომ ლითიუმის დენდრიტების შესაძლო ზრდის პოზიციაა, მაგრამ ეს ნაწილები შეიძლება ნაწილობრივ გადახურდეს ან გამოწვეული იყოს ლითონის მინარევების დამაბინძურებლებით. ამიტომ, წარუმატებლობის მოდელების შემდგომი შემუშავება ლითიუმის ტოტების გაჩენის პროგნოზირებისთვის და ამავდროულად, ძალზე მნიშვნელოვანია ცხოვრებისა და წარუმატებლობის ურთიერთობის შესწავლა სხვადასხვა სამუშაო პირობებში.

3 აქტიური მასალის ნაწილაკების დაბინძურება არათანაბარია სწრაფი მუხტისა და გამონადენის ან ელექტროდის აქტიური ნივთიერების გაცემისას, აქტიური მასალა მიდრეკილია ფხვნილისკენ ან ფრაგმენტაციისკენ. ზოგადად, ბატარეის გაფართოებისას, მიკრონის ზომის ნაწილაკები, იონის შიდა სტრესი შეიძლება დაირღვეს. საწყისი ბზარი შეიძლება დაფიქსირდეს SEM-ით აქტიური მასალის ნაწილაკების ზედაპირზე.

ლითიუმის იონების განმეორებით ჩანერგვისას ბზარები მუდმივად ვრცელდება, რის შედეგადაც ნაწილაკები იბზარება. გატეხილი ნაწილაკები გამოავლენს ახალ აქტიურ ზედაპირს და SEI ფილმი წარმოიქმნება ახალ ზედაპირზე. ლითიუმის იონის ჩანერგვის სტრესის კვლევისა და ანალიზის შედეგად უკეთესი დიზაინის ბატარეის ელექტროდი მასალები.

კრისტენსენი და ნიუმენი და სხვ. შეიმუშავეს ლითიუმ-იონის ჩაშენებული სტრესის საწყისი მოდელი და სხვა მკვლევარებმა გააფართოვეს სხვადასხვა მასალები და მასალების და მასალების გეომეტრიული მორფოლოგია. იონური სტრესის მოდელი ხელს შეუწყობს მკვლევარებს უფრო აქტიური ნივთიერებების შემუშავებაში.

თუმცა, აქტიური მასალის ნაწილაკების სიმძლავრისა და სიმძლავრის დაკარგვა შემდგომშია შესწავლილი და ნაწილაკების ფრაგმენტაციის უკმარისობის მექანიზმი ყოვლისმომცველია პროგნოზირებული ლითიუმ-იონური ბატარეების სიცოცხლის პროგნოზირებისთვის. ელექტროდის მასალის მოცულობის ცვლილებამ ასევე შეიძლება გამოიწვიოს აქტიური ნივთიერების განტვირთვა მიმდინარე კოლექტორთან, რათა აქტიური ნივთიერების ეს ნაწილი არ იყოს ხელმისაწვდომი. აქტიური მასალის შეურაცხმყოფელი ლითიუმის პროცესს თან ახლავს იონების მიგრაცია და გარე ელექტრონების მიგრაცია ბატარეის შიგნით.

ვინაიდან ელექტროლიტი ელექტრონულად იზოლირებულია, მხოლოდ იონების მიწოდება შესაძლებელია. ელექტრონების გატარება მნიშვნელოვანია გამტარი ქსელისთვის, რომელიც აგებულია ელექტროდის ზედაპირის მიერ გამტარ აგენტის მიერ. ელექტროდის მასალის მოცულობის ხშირმა ცვლილებამ შეიძლება გამოიწვიოს ნაწილობრივი აქტიური ნივთიერებები გამტარ ქსელიდან იზოლირებულ სისტემაში, რომელიც არ არის ხელმისაწვდომი.

ელექტროდის სტრუქტურის ეს ცვლილება შეიძლება შეფასდეს ისეთი მეთოდის გაზომვით, როგორიცაა ფორიანობა ან კონკრეტული ზედაპირის ფართობი. ეს პროცესი ასევე შეიძლება დაფქვით ელექტროდის ზედაპირის დაფქვით ფოკალური იონური სხივის (FIB) გამოყენებით, SEM-ის გამოყენებით მორფოლოგიური დაკვირვების შესასრულებლად ან რენტგენის ტომოგრაფიის ტესტის გამოყენებით SEM. Si უარყოფითი ელექტროდის მასალა გაწმენდილია და გამორთულია გამტარ ქსელიდან.

დადებითი ელექტროდის აქტიური ნივთიერების დადებითი ელექტროდის აქტიური ნივთიერება ძირითადად არის გარდამავალი ლითონის ოქსიდი, როგორიცაა ლითიუმის კობალტატი (LiMn2O4), ან ლითიუმის მარილი პოლიანატი, ლითიუმის რკინის ფოსფატი (LifePo4). დადებითი აქტიური ნივთიერებების უმეტესობა არის ჩაშენებული რეაქციის მექანიზმები და მათი სტრესის მექანიზმები და რეცესიის მექანიზმები უმეტესად განპირობებულია გრანულების დაცემით და ზემოთ აქტიური ნივთიერებების აღწერით. SEI ფილმი ასევე წარმოიქმნება და გავლენას ახდენს დადებითი ელექტროდის ზედაპირით, მაგრამ დადებითი ელექტროდის ზედაპირს აქვს მაღალი პოტენციალი და მისი SEI ფილმი ძალიან თხელი და სტაბილურია.

გარდა ამისა, დადებითი ელექტროდის მასალა ასევე მგრძნობიარეა შიდა სითბოს წარმოქმნის გავლენის მიმართ, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ბატარეა გადატვირთულია. დამუხტვის დროს ელექტროლიტი ხდება არასტაბილური მაღალი წნევის ქვეშ, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ელექტროლიტი და დადებითი ელექტროდი აქტიური ნივთიერება, რაც იწვევს ბატარეის შიდა ტემპერატურის ზრდას და დადებითი ელექტროდის მასალა გამოყოფს ჟანგბადს. შემდგომი განახლება, რაც გამოიწვევს თერმული კონტროლის გამოტოვებას, ეს გამოიწვევს ბატარეის განადგურებას.

დადებითი ელექტროდის მასალა, რომელიც წარმოიქმნება წინასწარი დამუხტვის დროს, შეიძლება გაანალიზდეს გაზის ქრომატოგრაფიით, რათა მოხდეს ელექტროდის მასალის სტრუქტურის ანალიზი ან გამოვლენა რენტგენის სპექტრის გამოვლენის ელექტროდის მასალის სტრუქტურით. თუმცა, ამჟამად არ არსებობს წარუმატებლობის მოდელი, რომელსაც შეუძლია იწინასწარმეტყველოს ბატარეის შიდა ნაწილი გაზის გადატვირთვის გზით. რეზიუმე: ლითიუმ-იონური ბატარეის დადებითი და უარყოფითი ელექტროდის მასალის უკმარისობის მექანიზმის რეჟიმი მნიშვნელოვანია SEI მემბრანის დაშლის, ლითიუმის დელეგირებული კრისტალების ან სპილენძის კრისტალების წარმოებისთვის, აქტიური მასალის ნაწილაკების ფხვნილისა და სითბოს დაშლის გაზის და ა.შ.

მათ შორის, ლითიუმის წარმოებულების ან სპილენძის დელეგტების წარმოქმნა, მატერიალური დაშლის გაზი ადვილად გამოწვეულია უჯრედის თერმული კონტროლის გამო, რაც იწვევს ბატარეის წვას და აფეთქებას კიდეც. ლითიუმ-იონური ბატარეების გაუმართაობა გაანალიზებულია გაცვეთილი რეჟიმით, ხოლო მექანიზმი ოპტიმიზებულია ბატარეის მასალის, სტრუქტურის ოპტიმიზაციისა და ბატარეის ეკოლოგიური ადაპტაციის, საიმედოობისა და უსაფრთხოების გაუმჯობესებით. ამიტომ, ბატარეის წარმოებისა და პრაქტიკული გამოყენებისთვის ძალიან მნიშვნელოვანი სახელმძღვანელო მნიშვნელობა აქვს.