लिथियम आयन बॅटरीच्या बिघाड विश्लेषण आणि दोष यंत्रणेचा आढावा

著者：Iflowpower – Dodavatel přenosných elektráren

1SEI फिल्मची निर्मिती आणि वाढ व्यावसायिक लिथियम-आयन बॅटरी सिस्टममध्ये होते आणि बॅटरी क्षमता कमी होण्याचा भाग ग्रेफाइट आणि ऑरगॅनिक इलेक्ट्रोलाइटमधील दुष्परिणामांमुळे होतो आणि ग्रेफाइट सहजपणे लिथियम आयन ऑरगॅनिक इलेक्ट्रोलाइटसह इलेक्ट्रोकेमिकली अभिक्रिया करतो, विशेषतः सॉल्व्हेंट म्हणजे व्हाइनिल कार्बोनेट (EC) आणि डायमिथाइल कार्बोनेट (DMC). जेव्हा लिथियम आयन बॅटरी पहिल्या चार्जिंग (स्टेज) दरम्यान असते, तेव्हा नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट आणि लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइटमध्ये बदल होतात आणि लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइटमध्ये बदल होतो आणि ग्रेफाइट पृष्ठभागावर घन इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (SEI) फिल्मचा एक थर तयार होतो, ज्यामुळे अपरिवर्तनीय क्षमतेचा एक भाग खराब होऊ शकतो. एसईआय फिल्म प्रतिक्रियाशील पदार्थाचे संरक्षण करताना आयनांचे प्रसारण सुनिश्चित करते आणि सक्रिय पदार्थ रोखताना बॅटरी सक्रिय पदार्थाच्या सक्रिय पदार्थाच्या ऑपरेशनची स्थिरता प्रतिबंधित करते.

तथापि, बॅटरीच्या पुढील चक्रादरम्यान, इलेक्ट्रोड मटेरियलच्या सतत विस्तार आणि आकुंचनामुळे नवीन सक्रिय साइट उघडकीस येत असल्याने, यामुळे सतत नुकसान बिघाड यंत्रणा होऊ शकते, म्हणजेच बॅटरीची क्षमता सतत कमी होत जाते. या बिघाड यंत्रणेचे श्रेय इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागाच्या इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्शन प्रक्रियेला दिले जाऊ शकते, जे SEI फिल्मच्या जाडीत सतत वाढ म्हणून व्यक्त केले जाते. म्हणून, SEI फिल्म रासायनिक घटक आणि आकारविज्ञानाचा अभ्यास अधिक सखोल असू शकतो, लिथियम-आयन बॅटरी क्षमता आणि पॉवर घटण्याचे कारण.

SEI फिल्म निर्मिती प्रक्रिया अलिकडच्या वर्षांत, संशोधकांनी लहान बॅटरी सिस्टीमच्या विघटन प्रयोगांद्वारे SEI मेम्ब्रेनच्या स्वरूपाचा अभ्यास करण्याचा प्रयत्न केला आहे. बॅटरीचे पृथक्करण प्रक्रिया एरोसोलिक इनर्ट गॅस ग्लोव्ह बॉक्समध्ये केली जाते ( <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.

जरी SEI फिल्मचे वैशिष्ट्यीकरण करण्यासाठी अनेक चाचणी पद्धती वापरल्या गेल्या आहेत, तरी बॅटरीमध्ये वाढणाऱ्या SEI फिल्मचे प्रत्यक्ष मॉडेल अधिक प्रगत आणि थेट मार्गांनी वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी वापरले जाते. अडचण अशी आहे की SEI फिल्ममध्ये सेंद्रिय आणि अजैविक अशा विविध पदार्थांचा समावेश आहे आणि त्यातील घटक गुंतागुंतीचा आहे आणि तो खूप नाजूक आहे आणि पर्यावरणाला प्रतिसाद देणे सोपे आहे. जर ते अयोग्य असेल तर SEI चित्रपटाची खरी माहिती मिळवणे कठीण आहे.

SEI फिल्मचे जाड होणे ही एक सामान्य इलेक्ट्रोकेमिकल परजीवी बाजूची अभिक्रिया आहे, ज्याचा प्रतिक्रिया गतीशास्त्र, वस्तुमान हस्तांतरण प्रक्रिया आणि बॅटरीच्या संरचनात्मक भूमितीशी जवळचा संबंध आहे. तथापि, SEI फिल्ममधील बदलामुळे थेट विनाशकारी अपयश येत नाही आणि त्याच्या विघटनामुळे बॅटरीच्या अंतर्गत तापमानात वाढ होईल, ज्यामुळे विघटन वायू होऊ शकतो आणि तीव्र उष्णतेमुळे थर्मल नियंत्रणाबाहेर जाईल. FMMEA मध्ये, SEI फिल्मची निर्मिती आणि वाढ ही एक तोटा यंत्रणा मानली जाते, ज्यामुळे बॅटरीची क्षमता कमी होऊ शकते आणि अंतर्गत प्रतिबाधा वाढू शकते.

२ जर बॅटरी तिच्या रेटेड करंटपेक्षा जास्त करंट घनतेवर जलद चार्ज केली तर लिथियम डेंड्राइट्स तयार होतात आणि ऋण पृष्ठभाग सहजपणे धातूचा लिथियम डेंड्राइड तयार करण्यासाठी तयार होतो. हे डेंड्रिटिक क्रिस्टल डायाफ्राममध्ये सहज छिद्र पाडते, ज्यामुळे बॅटरीमध्ये शॉर्ट सर्किट होते. या परिस्थितीमुळे बॅटरी नष्ट होण्याचे कारण बनू शकते आणि बॅटरी शॉर्ट सर्किट होण्यापूर्वी ते शोधणे कठीण असते.

अलिकडच्या वर्षांत, संशोधकांनी लिथियम डेंड्राइडच्या वाढीचा दर आणि लिथियम डेंड्राइट्सच्या वाढीचा दर आणि लिथियम डेंड्राइट्सच्या लिथियम आयन प्रसार क्षमतेमधील संबंधांचा अभ्यास केला आहे. प्रयोगांवरून असे दिसून आले आहे की संपूर्ण बॅटरी सिस्टीममध्ये लिथियम डेलेग्राची वाढ शोधणे किंवा निरीक्षण करणे कठीण आहे आणि सध्याचे मॉडेल एकाच सिस्टीम अंतर्गत लिथियम डेंड्राइट्सच्या वाढीपुरते मर्यादित आहे. प्रायोगिक प्रणालीमध्ये, क्वार्ट्ज ग्लासने बनवलेली पारदर्शक बॅटरी लिथियम डेंड्राइट्सच्या वाढीच्या प्रक्रियेचे निरीक्षण करू शकते.

माझ्या देशातील सुझोऊ नॅनोटेक्नॉलॉजी आणि नॅनो बायोनिक रिसर्च इन्स्टिट्यूटमधील झांग युएगोनो संशोधकांनी स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (SEM) तंत्रज्ञानामध्ये लिथियम डेंड्राइट्स (व्हिडिओद्वारे दाखवल्याप्रमाणे) निर्मिती प्रक्रिया उघड केली आहे. तथापि, व्यावसायिक लिथियम-आयन बॅटरी प्रणालीमध्ये, लिथियम शाखांचे मूळ निरीक्षण साध्य करणे कठीण आहे. बॅटरी काढून टाकून त्याच्या लिथियम ब्रांच क्रिस्टल्सचे निरीक्षण करणे ही सार्वत्रिक परिस्थिती आहे.

तथापि, लिथियम शाखेची क्रियाशीलता खूप जास्त असल्याने, पिढीच्या तपशीलांचे विश्लेषण करणे कठीण आहे. झियर आणि इतर. डेंड्राइट्सची स्थिती निश्चित करण्यासाठी इलेक्ट्रोड स्ट्रक्चर रंगवून इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रॉन मायक्रोग्राम काढण्याचा प्रस्ताव.

जर बॅटरी विघटन होण्यापूर्वी, लिथियम ब्रांच क्रिस्टलच्या निर्मितीमुळे आत शॉर्ट सर्किट झाला असेल, तर डेंड्रिटिक क्रिस्टलचा हा भाग पाहणे कठीण असू शकते कारण अंतर्गत शॉर्ट सर्किटच्या प्रचंड पल्स करंटमुळे लिथियम ब्रांच क्रिस्टलायझेशन होऊ शकते. डायाफ्रामचे स्थानिक मायक्रोपोरस क्लोजिंग लिथियम डेंड्राइट्सच्या संभाव्य वाढीची स्थिती सूचित करते, परंतु हे भाग अंशतः जास्त गरम होऊ शकतात किंवा धातूच्या अशुद्धतेमुळे दूषित घटकांमुळे होऊ शकतात. म्हणून, लिथियम शाखांच्या उदयाचा अंदाज लावण्यासाठी अपयश मॉडेल्सचा पुढील विकास करणे आणि त्याच वेळी, वेगवेगळ्या कामकाजाच्या परिस्थितीत जीवन आणि अपयश संबंधांचा अभ्यास करणे खूप अर्थपूर्ण आहे.

३ जलद चार्ज आणि डिस्चार्ज किंवा इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थाच्या वितरणात सक्रिय पदार्थाच्या कणांचे परागीकरण असमान असते, सक्रिय पदार्थ पावडर किंवा विखंडन होण्याची शक्यता असते. सर्वसाधारणपणे, बॅटरी वाढवताच, मायक्रोन आकाराचे कण, आयनचा अंतर्गत ताण तुटू शकतो. सक्रिय पदार्थाच्या कणांच्या पृष्ठभागावर SEM द्वारे सुरुवातीचा क्रॅक दिसून येतो.

लिथियम आयन वारंवार एम्बेड केल्यामुळे, भेगा सतत वाढत जातात, ज्यामुळे कणांमध्ये भेगा पडतात. क्रॅकिंग कण नवीन सक्रिय पृष्ठभाग उघड करतील आणि नवीन पृष्ठभागावर SEI फिल्म तयार होईल. लिथियम आयन एम्बेडिंग स्ट्रेसच्या संशोधन आणि विश्लेषणाद्वारे, बॅटरी इलेक्ट्रोड मटेरियलची चांगली रचना.

क्रिस्टेनसेन आणि न्यूमन आणि इतर. सुरुवातीचे लिथियम-आयन एम्बेडेड स्ट्रेस मॉडेल विकसित केले आणि इतर संशोधकांनी विविध साहित्य, आणि पदार्थांचे भौमितिक आकारविज्ञान आणि पदार्थांचा विस्तार केला आहे. आयन एम्बेडेड स्ट्रेस मॉडेल संशोधकांना अधिक सक्रिय पदार्थ डिझाइन करण्यास मदत करेल.

तथापि, सक्रिय पदार्थाच्या कणांच्या क्षमतेच्या आणि शक्तीच्या नुकसानाचा अधिक अभ्यास केला जातो आणि लिथियम-आयन बॅटरीच्या आयुष्याचा अंदाज लावण्यासाठी कण विखंडनाच्या अपयशाच्या यंत्रणेचा व्यापकपणे अंदाज लावला जातो. इलेक्ट्रोड मटेरियलच्या आकारमानातील बदलामुळे सक्रिय पदार्थ विद्युत प्रवाह संग्राहकासह अनलोड होऊ शकतो, ज्यामुळे सक्रिय पदार्थाचा हा भाग उपलब्ध होत नाही. सक्रिय पदार्थाची इनकोन्ड लिथियम प्रक्रिया बॅटरीच्या आत आयन स्थलांतर आणि बाह्य इलेक्ट्रॉन स्थलांतरासह असते.

इलेक्ट्रोलाइट इलेक्ट्रॉनिक पद्धतीने इन्सुलेटेड असल्याने, फक्त आयनच पुरवता येतात. इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर वाहक एजंटने बनवलेल्या वाहक नेटवर्कसाठी इलेक्ट्रॉनचे वाहकत्व महत्त्वाचे असते. इलेक्ट्रोड मटेरियलच्या आकारमानात वारंवार बदल झाल्यामुळे प्रवाहकीय नेटवर्कमधून आंशिक सक्रिय पदार्थ बाहेर पडून एक वेगळी प्रणाली तयार होऊ शकते, जी उपलब्ध नाही.

इलेक्ट्रोडच्या रचनेतील हा बदल सच्छिद्रता किंवा विशिष्ट पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ मोजण्यासारख्या पद्धतीद्वारे मोजता येतो. ही प्रक्रिया फोकल आयन बीम (FIB) वापरून इलेक्ट्रोड पृष्ठभागाचे मिलिंग करून, SEM वापरून मॉर्फोलॉजिकल निरीक्षण किंवा SEM वापरून एक्स-रे टोमोग्राफी चाचणी करून देखील मिलिंग करता येते. Si निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियल स्वच्छ केले जाते आणि कंडक्टिव्ह नेटवर्कपासून वेगळे केले जाते.

पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थाचे पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थ हे बहुतेक संक्रमण धातूचे ऑक्साईड असते, जसे की लिथियम कोबाल्टेट (LiMn2O4), किंवा पॉलिएनेट लिथियम मीठ, लिथियम लोह फॉस्फेट (LifePo4). बहुतेक सकारात्मक सक्रिय पदार्थ हे एम्बेडेड प्रतिक्रिया यंत्रणा असतात आणि त्यांच्या ताण यंत्रणा आणि मंदी यंत्रणा बहुतेकदा ग्रॅन्युलच्या घसरणीमुळे आणि वरील सक्रिय पदार्थांच्या वर्णनामुळे असतात. SEI फिल्म देखील पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावरून निर्माण होते आणि प्रभावित होते, परंतु पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागावर उच्च क्षमता असते आणि त्याची SEI फिल्म खूप पातळ आणि स्थिर असते.

याव्यतिरिक्त, पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियल अंतर्गत उष्णता निर्मितीच्या प्रभावासाठी देखील संवेदनशील असते, विशेषतः जेव्हा बॅटरी ओव्हरचेअर असते. चार्जिंगच्या वेळी, उच्च दाबाखाली इलेक्ट्रोलाइट अस्थिर होते, ज्यामुळे एक इलेक्ट्रोलाइट आणि पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थ तयार होतो, ज्यामुळे बॅटरीचे अंतर्गत तापमान वाढत राहते आणि पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियल ऑक्सिजन सोडते. पुढील अपग्रेडमुळे, थर्मल नियंत्रणाबाहेर जाईल, त्यामुळे बॅटरी खराब होईल.

प्री-चार्ज दरम्यान उद्भवणाऱ्या पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलचे विश्लेषण गॅस क्रोमॅटोग्राफीद्वारे केले जाऊ शकते जेणेकरून एक्स-रे स्पेक्ट्रम डिटेक्शन इलेक्ट्रोड मटेरियल स्ट्रक्चरद्वारे इलेक्ट्रोड मटेरियल स्ट्रक्चरचे विश्लेषण किंवा शोध घेता येईल. तथापि, सध्या असे कोणतेही बिघाड मॉडेल नाही जे जास्त चार्ज झालेल्या गॅस ओव्हरफ्लोद्वारे बॅटरीच्या आतील भागाचा अंदाज लावू शकेल. सारांश: लिथियम-आयन बॅटरी पॉझिटिव्ह आणि निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलचा बिघाड यंत्रणा मोड SEI झिल्लीचे विघटन, लिथियम डेलिगेटेड क्रिस्टल किंवा कॉपरप्रिन क्रिस्टल्सचे उत्पादन, सक्रिय मटेरियल कणांची पावडर आणि उष्णता विघटन वायू इत्यादींसाठी महत्त्वाचा आहे.

त्यापैकी, लिथियम डेरिव्हेटिव्ह्ज किंवा कॉपर डेलिग्थ्सची निर्मिती, मटेरियल विघटन वायू सहजपणे सेलच्या थर्मल नियंत्रणाबाहेर जाण्यामुळे होतो, ज्यामुळे बॅटरीचे ज्वलन होते आणि अगदी स्फोट देखील होतो. लिथियम-आयन बॅटरीच्या बिघाडाचे विश्लेषण फेड मोडद्वारे केले जाते आणि बॅटरीची सामग्री, रचना ऑप्टिमाइझ करून आणि बॅटरीची पर्यावरणीय अनुकूलता, विश्वासार्हता आणि सुरक्षितता सुधारून यंत्रणा ऑप्टिमाइझ केली जाते. म्हणूनच, बॅटरीच्या उत्पादनासाठी आणि व्यावहारिक वापरासाठी एक अतिशय महत्त्वाचे मार्गदर्शक महत्त्व आहे.