Ličio jonų akumuliatoriaus gedimų analizės ir gedimo mechanizmo apžvalga

Forfatter: Iflowpower – Fournisseur de centrales électriques portables

1SEI plėvelė generuojama ir auga komercinėje ličio jonų akumuliatoriaus sistemoje, o akumuliatoriaus talpos nuostolių dalis atsiranda dėl šalutinio poveikio tarp grafito ir organinio elektrolito, o grafitas lengvai elektrochemiškai reaguoja su ličio jonų organiniu elektrolitu, ypač tirpiklis yra vinilo karbonatas (EC) ir dimetilkarbonatas (DMC). Kai ličio jonų akumuliatorius yra pirmojo įkrovimo metu (etapas), atsirado neigiamas elektrolitas ir ličio jonų elektrolitas, atsirado ličio jonų elektrolitas ir grafito paviršiuje susidaro kietosios elektrolito sąsajos (SEI) plėvelės sluoksnis, dėl kurio gali atsirasti dalis negrįžtamos talpos. SEI plėvelė užtikrina jonų perdavimą, tuo pačiu apsaugodama reaktyviąją medžiagą, ir apsaugo nuo akumuliatoriaus aktyviosios medžiagos aktyviosios medžiagos veikimo stabilumo, tuo pačiu užkertant kelią aktyviajai medžiagai.

Tačiau tolesnio akumuliatoriaus ciklo metu, kadangi dėl nuolatinio elektrodo medžiagos išsiplėtimo ir susitraukimo atsiranda nauja aktyvi vieta, tai gali sukelti nuolatinio nuostolių gedimo mechanizmą, ty nuolat mažėja akumuliatoriaus talpa. Šis gedimo mechanizmas gali būti siejamas su elektrodo paviršiaus elektrocheminiu redukcijos procesu, kuris išreiškiamas kaip nuolatinis SEI plėvelės storio padidėjimas. Todėl SEI plėvelės cheminių komponentų ir morfologijos tyrimas gali būti nuodugnesnis, nes tai gali būti ličio jonų akumuliatoriaus talpos ir galios sumažėjimo priežastis.

SEI plėvelės formavimo procesas Pastaraisiais metais mokslininkai bandė ištirti SEI membranų pobūdį išmontuodami mažas akumuliatorių sistemas. Akumuliatoriaus išmontavimo procesas atliekamas aerozolinėje inertinių dujų dėžėje ( <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.

Nors SEI plėvelei apibūdinti buvo naudojama daug bandymo metodų, tikrasis SEI plėvelės modelis, kuris auga baterijoje, naudojamas pažangesniems ir tiesioginiams būdams apibūdinti. Sunkumas yra tas, kad SEI plėvelė yra sudėtinga su įvairiomis medžiagomis, tokiomis kaip organinės ir neorganinės, o sudedamoji dalis yra sudėtinga, ji yra labai trapi ir lengvai reaguoja į aplinką. Jei jis neteisingas, sunku gauti tikrąją SEI filmo informaciją.

SEI plėvelės sutirštėjimas yra tipiška elektrocheminė parazitinė šalutinė reakcija, glaudžiai susijusi su reakcijos kinetika, masės perdavimo procesu ir akumuliatoriaus struktūrine geometrija. Tačiau SEI plėvelės pakeitimas tiesiogiai nesukelia destruktyvaus gedimo gedimo, o dėl jos skilimo tik padidės akumuliatoriaus vidinė temperatūra, o tai savo ruožtu gali sukelti skilimo dujas, o stiprus karštis sukels nekontroliuojamą terminį. FMMEA SEI plėvelės susidarymas ir augimas laikomas praradimo mechanizmu, dėl kurio gali sumažėti akumuliatoriaus talpa ir padidėti vidinė varža.

2 Ličio dendritai susidaro, jei baterija greitai įkraunama esant didesniam nei vardinė srovė, o neigiamas paviršius lengvai formuojamas, kad susidarytų metalinis ličio dendridas. Šis dendritinis kristalas lengvai pramuša diafragmą, todėl akumuliatoriaus viduje atsiranda trumpasis jungimas. Dėl šios situacijos gali nepavykti sugadinti akumuliatoriaus ir jį sunku aptikti, kol nėra trumpojo jungimo.

Pastaraisiais metais mokslininkai ištyrė ličio dendrido augimo greitį ir ryšį tarp ličio dendritų augimo greičio ir ličio dendritų ličio jonų difuzijos pajėgumo. Eksperimentai rodo, kad ličio delegros augimą sunku aptikti ar stebėti pilnoje baterijų sistemoje, o dabartinis modelis apsiriboja ličio dendritų augimu vienoje sistemoje. Eksperimentinėje sistemoje iš kvarco stiklo pagaminta skaidri baterija gali stebėti ličio dendritų augimo procesą in situ.

Zhang Yuegono tyrinėtojas Sudžou nanotechnologijų ir nanobioninių tyrimų institute mano šalyje atskleidė ličio dendritų susidarymo procesą (kaip parodyta vaizdo įraše) skenuojančio elektroninio mikroskopo (SEM) technologijoje. Tačiau komercinėje ličio jonų baterijų sistemoje sunku pasiekti pradinį ličio šakų stebėjimą. Universali situacija yra stebėti jo ličio šakų kristalus išmontuojant akumuliatorių.

Tačiau kadangi ličio šakos aktyvumas yra labai didelis, sunku analizuoti kartos detales. Zier ir kt. Siūloma nubrėžti elektrodų elektronų mikrogramus, dažant elektrodo struktūrą, siekiant nustatyti dendritų padėtį.

Jei prieš išmontuojant akumuliatorių, dėl ličio šakos kristalo susidarymo viduje įvyko trumpasis jungimas, tai šią dendrito kristalo dalį gali būti sunku pastebėti, nes didžiulė vidinio trumpojo jungimo impulsinė srovė gali sukelti ličio šakos kristalizaciją. Vietinis mikroporinis diafragmos uždarymas rodo, kad gali atsirasti ličio dendritų augimo padėtis, tačiau šios dalys gali būti iš dalies perkaitusios arba dėl metalinių priemaišų teršalų. Todėl tolesnis nesėkmių modelių kūrimas numatant ličio šakų atsiradimą, o tuo pačiu labai prasminga tirti gyvenimo ir nesėkmių santykius skirtingomis darbo sąlygomis.

3 Aktyviosios medžiagos dalelių apdulkinimas yra netolygus išduodant greito įkrovimo ir iškrovimo arba elektrodų veikliąją medžiagą, veiklioji medžiaga linkusi į miltelius arba suskilti. Apskritai, kai baterija yra išplėsta, mikrono dydžio dalelės, vidinis jonų įtempis gali nutrūkti. Pradinį įtrūkimą aktyviosios medžiagos dalelių paviršiuje galima pastebėti SEM.

Dėl pakartotinio ličio jonų įsiskverbimo įtrūkimai nuolat plečiasi, todėl dalelės trūkinėja. Įtrūkusios dalelės atskleis naują aktyvų paviršių, o SEI plėvelė susidaro ant naujo paviršiaus. Tiriant ir analizuojant ličio jonų įterpimo įtempį, geriau suprojektuoti akumuliatoriaus elektrodų medžiagas.

Christensen ir Newman ir kt. Sukūrė pradinį ličio jonų įtempimo modelį, o kiti tyrinėtojai išplėtė įvairias medžiagas, geometrinę medžiagų morfologiją ir medžiagas. Jonų integruotas streso modelis padės mokslininkams sukurti daugiau veikliųjų medžiagų.

Tačiau toliau tiriamas aktyviųjų medžiagų dalelių talpos ir galios praradimas, o dalelių suskaidymo gedimo mechanizmas visapusiškai prognozuojamas, numatantis ličio jonų baterijų tarnavimo laiką. Dėl elektrodo medžiagos tūrio pasikeitimo aktyvioji medžiaga taip pat gali būti iškraunama iš srovės kolektoriaus, todėl ši veikliosios medžiagos dalis nepasiekiama. Aktyvios medžiagos inconed ličio procesą lydi jonų migracija ir išorinė elektronų migracija akumuliatoriaus viduje.

Kadangi elektrolitas yra elektroniškai izoliuotas, galima tiekti tik jonus. Elektronų laidumas yra svarbus laidžiam tinklui, kurį elektrodo paviršius sudaro laidus agentas. Dėl dažnų elektrodų medžiagos tūrio keitimo iš laidžiojo tinklo iš dalies aktyvių medžiagų gali susidaryti izoliuota sistema, kurios nėra.

Šį elektrodo struktūros pokytį galima išmatuoti matuojant tokį metodą kaip poringumas arba specifinis paviršiaus plotas. Šis procesas taip pat gali būti frezuojamas frezuojant elektrodo paviršių naudojant židinio jonų pluoštą (FIB), naudojant SEM morfologiniam stebėjimui arba rentgeno tomografijos tyrimui naudojant SEM. Si neigiamo elektrodo medžiaga išvaloma ir atjungiama nuo laidžiojo tinklo.

Teigiamo elektrodo veikliosios medžiagos teigiama elektrodo veiklioji medžiaga dažniausiai yra pereinamojo metalo oksidas, pvz., ličio kobaltatas (LiMn2O4) arba polianatas Ličio druska, ličio geležies fosfatas (LifePo4). Dauguma teigiamų veikliųjų medžiagų yra įterptieji reakcijos mechanizmai, o jų streso ir recesijos mechanizmai dažniausiai atsiranda dėl granulių kritimo ir aukščiau pateikto veikliųjų medžiagų aprašymo. SEI plėvelę taip pat sukuria ir veikia teigiamo elektrodo paviršius, tačiau teigiamo elektrodo paviršius turi didelį potencialą, o jo SEI plėvelė yra labai plona ir stabili.

Be to, teigiamo elektrodo medžiaga taip pat yra jautri vidinės šilumos gamybos įtakai, ypač kai akumuliatorius yra perkrautas. Įkrovimo metu, esant aukštam slėgiui, elektrolitas tampa nestabilus, todėl susidaro elektrolitas ir teigiama elektrodo veiklioji medžiaga, dėl kurios akumuliatoriaus vidinė temperatūra toliau kyla, o teigiamo elektrodo medžiaga išskiria deguonį. Tolesnis atnaujinimas, dėl kurio šiluminis režimas bus nevaldomas, sugadins akumuliatorių.

Teigiama elektrodo medžiaga, atsirandanti išankstinio įkrovimo metu, gali būti analizuojama naudojant dujų chromatografiją, kad būtų galima analizuoti arba aptikti elektrodo medžiagos struktūrą pagal rentgeno spindulių spektro aptikimo elektrodo medžiagos struktūrą. Tačiau šiuo metu nėra gedimo modelio, kuris galėtų numatyti akumuliatoriaus vidų dėl perkrautų dujų perpildymo. Santrauka: Ličio jonų akumuliatoriaus teigiamų ir neigiamų elektrodų medžiagos gedimo mechanizmas yra svarbus SEI membranos skilimui, ličio deleguotų kristalų arba vario kristalų, aktyviosios medžiagos dalelių miltelių ir šilumos skilimo dujų gamybai ir kt.

Tarp jų, ličio darinių arba vario delegacijų susidarymas, medžiagos skilimo dujas lengvai sukelia elemento nekontroliuojamas terminis, sukeliantis akumuliatoriaus degimą ir net sprogimą. Ličio jonų akumuliatorių gedimas analizuojamas išblukimo režimu, o mechanizmas optimizuojamas optimizuojant akumuliatoriaus medžiagą, struktūrą, gerinant akumuliatoriaus prisitaikymą prie aplinkos, patikimumą ir saugumą. Todėl baterijos gamybai ir praktiniam pritaikymui yra labai svarbi orientacinė reikšmė.