लिथियम आयन ब्याट्रीको विफलता विश्लेषण र त्रुटि संयन्त्रको सिंहावलोकन

著者：Iflowpower – Dodavatel přenosných elektráren

१SEI फिल्मको उत्पादन र वृद्धि व्यावसायिक लिथियम-आयन ब्याट्री प्रणालीमा हुन्छ, र ब्याट्री क्षमता गुमाउने भाग ग्रेफाइट र जैविक इलेक्ट्रोलाइट बीचको साइड इफेक्टबाट हुन्छ, र ग्रेफाइट सजिलैसँग लिथियम आयन जैविक इलेक्ट्रोलाइटसँग इलेक्ट्रोकेमिकली प्रतिक्रिया गरिन्छ, विशेष गरी विलायक भिनिल कार्बोनेट (EC) र डाइमिथाइल कार्बोनेट (DMC) हो। जब लिथियम आयन ब्याट्री पहिलो चार्जिङ (चरण) को समयमा हुन्छ, नकारात्मक इलेक्ट्रोलाइट र लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट उत्पन्न हुन्छ र लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट उत्पन्न हुन्छ र ग्रेफाइट सतहमा ठोस इलेक्ट्रोलाइट इन्टरफेस (SEI) फिल्मको तह बनाइन्छ, जसले गर्दा अपरिवर्तनीय क्षमताको एक भाग हुन सक्छ। SEI फिल्मले प्रतिक्रियाशील पदार्थलाई सुरक्षित राख्दै आयनहरूको प्रसारण सुनिश्चित गर्दछ, र सक्रिय पदार्थलाई रोक्दै ब्याट्री सक्रिय सामग्रीको सक्रिय सामग्री सञ्चालनको स्थिरतालाई रोक्छ।

यद्यपि, ब्याट्रीको पछिल्लो चक्रको समयमा, इलेक्ट्रोड सामग्रीको निरन्तर विस्तार र संकुचनले नयाँ सक्रिय साइटलाई उजागर गर्ने भएकोले, यसले निरन्तर क्षति विफलता संयन्त्र निम्त्याउन सक्छ, अर्थात्, ब्याट्रीको क्षमता निरन्तर कम हुन्छ। यो विफलता संयन्त्र इलेक्ट्रोडको सतहको इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्सन प्रक्रियालाई श्रेय दिन सकिन्छ, जुन SEI फिल्मको मोटाईमा निरन्तर वृद्धिको रूपमा व्यक्त गरिन्छ। त्यसकारण, SEI फिल्म रासायनिक घटक र आकारविज्ञानको अध्ययन लिथियम-आयन ब्याट्री क्षमता र पावर गिरावटको कारण, अझ गहन हुन सक्छ।

SEI फिल्म निर्माण प्रक्रिया हालैका वर्षहरूमा, अनुसन्धानकर्ताहरूले साना ब्याट्री प्रणालीहरूको विघटन प्रयोगहरू मार्फत SEI झिल्लीहरूको प्रकृति अध्ययन गर्ने प्रयास गरेका छन्। ब्याट्रीको पृथकीकरण प्रक्रिया एरोसोलिक इनर्ट ग्यास ग्लोभ बक्समा गरिन्छ ( <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.

यद्यपि SEI फिल्मको विशेषता निर्धारण गर्न धेरै परीक्षण विधिहरू प्रयोग गरिएको छ, ब्याट्रीमा बढेको SEI फिल्मको वास्तविक मोडेललाई अझ उन्नत र प्रत्यक्ष तरिकाले चित्रण गर्न प्रयोग गरिन्छ। कठिनाई यो हो कि SEI फिल्म जैविक र अजैविक जस्ता विभिन्न पदार्थहरूले भरिएको छ, र घटक जटिल छ, र यो धेरै नाजुक छ र वातावरणमा प्रतिक्रिया दिन सजिलो छ। यदि यो अनुचित छ भने, SEI फिल्मको वास्तविक जानकारी प्राप्त गर्न गाह्रो हुन्छ।

SEI फिल्मको बाक्लोपन एक विशिष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल परजीवी साइड प्रतिक्रिया हो, जसको प्रतिक्रिया गतिविज्ञान, द्रव्यमान स्थानान्तरण प्रक्रिया, र ब्याट्रीको संरचनात्मक ज्यामितिसँग नजिकको सम्बन्ध छ। यद्यपि, SEI फिल्मको परिवर्तनले प्रत्यक्ष रूपमा विनाशकारी विफलताको विफलता निम्त्याउँदैन, र यसको विघटनले ब्याट्रीको आन्तरिक तापक्रममा मात्र वृद्धि गर्नेछ, जसले गर्दा विघटन ग्यास निम्त्याउन सक्छ, र गम्भीर गर्मीले थर्मल नियन्त्रण बाहिर निम्त्याउनेछ। FMMEA मा, SEI फिल्मको गठन र वृद्धिलाई नोक्सान संयन्त्र मानिन्छ, जसले ब्याट्रीको क्षमता घटाउन र आन्तरिक प्रतिबाधा बढाउन सक्छ।

२ यदि ब्याट्रीलाई यसको मूल्याङ्कन गरिएको करेन्ट भन्दा बढी करेन्ट घनत्वमा छिटो चार्ज गरियो भने लिथियम डेन्ड्राइटहरू उत्पन्न हुन्छन्, र ऋणात्मक सतह सजिलैसँग धातुको लिथियम डेन्ड्राइड बनाउनको लागि बनाइन्छ। यो डेन्ड्राइटिक क्रिस्टललाई डायाफ्राममा सजिलै छेड्न सकिन्छ, जसले गर्दा ब्याट्री भित्र सर्ट सर्किट हुन्छ। यो अवस्थाले ब्याट्रीको विनाशको विफलता निम्त्याउन सक्छ, र ब्याट्री सर्ट-सर्किट हुनुभन्दा पहिले पत्ता लगाउन गाह्रो हुन्छ।

हालैका वर्षहरूमा, अनुसन्धानकर्ताहरूले लिथियम डेन्ड्राइडको वृद्धि दर र लिथियम डेन्ड्राइटको वृद्धि दर र लिथियम डेन्ड्राइटको लिथियम आयन प्रसार क्षमता बीचको सम्बन्धको अध्ययन गरेका छन्। प्रयोगहरूले देखाउँछन् कि लिथियम डेलेग्राको वृद्धि पूर्ण ब्याट्री प्रणालीमा पत्ता लगाउन वा अवलोकन गर्न गाह्रो छ, र हालको मोडेल एकल प्रणाली अन्तर्गत लिथियम डेन्ड्राइटको वृद्धिमा सीमित छ। प्रयोगात्मक प्रणालीमा, क्वार्ट्ज गिलासद्वारा निर्मित पारदर्शी ब्याट्रीले लिथियम डेन्ड्राइट्सको वृद्धि प्रक्रियालाई स्थितिमा अवलोकन गर्न सक्छ।

मेरो देशको सुझोउ नानोटेक्नोलोजी र नानो बायोनिक अनुसन्धान संस्थानका अनुसन्धानकर्ता झाङ युएगोनोले स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (SEM) प्रविधिमा लिथियम डेन्ड्राइट्स (भिडियोद्वारा देखाइए अनुसार) को गठन प्रक्रियाको खुलासा गरेका छन्। यद्यपि, व्यावसायिक लिथियम-आयन ब्याट्री प्रणालीमा, लिथियम शाखाहरूको मूल अवलोकन प्राप्त गर्न गाह्रो छ। विश्वव्यापी अवस्था भनेको ब्याट्री भत्काएर यसको लिथियम शाखा क्रिस्टलहरू अवलोकन गर्नु हो।

यद्यपि, लिथियम शाखाको गतिविधि धेरै उच्च भएकोले, उत्पादनको विवरण विश्लेषण गर्न गाह्रो छ। जियर एट अल। डेन्ड्राइटको स्थिति निर्धारण गर्न इलेक्ट्रोड संरचनालाई रंगाएर इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोन माइक्रोग्रामहरू कोर्ने प्रस्ताव गरिएको छ।

यदि ब्याट्री विघटन हुनुभन्दा पहिले, लिथियम ब्रान्च क्रिस्टलको उत्पादनले भित्री सर्ट सर्किट निम्त्याएको छ भने, डेन्ड्राइटिक क्रिस्टलको यो भाग अवलोकन गर्न गाह्रो हुन सक्छ किनभने आन्तरिक सर्ट सर्किटको विशाल पल्स करेन्टले लिथियम ब्रान्च क्रिस्टलाइजेसन निम्त्याउन सक्छ। डायाफ्रामको स्थानीय माइक्रोपोरस क्लोजिङले लिथियम डेन्ड्राइटको सम्भावित वृद्धि स्थितिलाई सुझाव दिन्छ, तर यी भागहरू आंशिक रूपमा अत्यधिक तातो हुन सक्छन् वा धातुको अशुद्धता दूषित पदार्थहरूको कारणले हुन सक्छन्। त्यसकारण, लिथियम शाखाहरूको उदयको भविष्यवाणी गर्न असफलता मोडेलहरूको थप विकास, र एकै समयमा, विभिन्न कार्य परिस्थितिहरूमा जीवन र असफलता सम्बन्धको अध्ययन गर्नु धेरै अर्थपूर्ण छ।

३. द्रुत चार्ज र डिस्चार्ज वा इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थको वितरणमा सक्रिय पदार्थ कणहरूको परागण असमान हुन्छ, सक्रिय पदार्थ पाउडर वा खण्डीकरणको जोखिममा हुन्छ। सामान्यतया, ब्याट्री विस्तारित हुँदा, माइक्रोन आकारका कणहरू, आयनको आन्तरिक तनाव भाँचिन सक्छ। सक्रिय सामग्री कणहरूको सतहमा SEM द्वारा प्रारम्भिक दरार अवलोकन गर्न सकिन्छ।

लिथियम आयनहरूको बारम्बार इम्बेडिङको रूपमा, दरारहरू निरन्तर विस्तार हुँदै जान्छन्, जसले गर्दा कणहरू फुट्छन्। क्र्याकिंग कणहरूले नयाँ सक्रिय सतहलाई पर्दाफास गर्नेछन्, र नयाँ सतहमा SEI फिल्म उत्पन्न हुन्छ। लिथियम आयन इम्बेडिङ तनावको अनुसन्धान र विश्लेषण गरेर, ब्याट्री इलेक्ट्रोड सामग्रीहरू राम्रो डिजाइन गर्नुहोस्।

क्रिस्टेनसेन र न्यूम्यान एट अल। प्रारम्भिक लिथियम-आयन एम्बेडेड स्ट्रेस मोडेल विकास गरियो, र अन्य अनुसन्धानकर्ताहरूले विभिन्न सामग्रीहरू, र सामग्रीहरूको ज्यामितीय आकारविज्ञान, र सामग्रीहरू विस्तार गरेका छन्। आयन एम्बेडेड स्ट्रेस मोडेलले अनुसन्धानकर्ताहरूलाई थप सक्रिय पदार्थहरू डिजाइन गर्न सहज बनाउनेछ।

यद्यपि, सक्रिय भौतिक कणहरूको क्षमता र शक्तिको क्षतिको थप अध्ययन गरिएको छ, र कण खण्डीकरणको विफलता संयन्त्रले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको जीवनको भविष्यवाणी गर्न व्यापक रूपमा भविष्यवाणी गरिएको छ। इलेक्ट्रोड सामग्रीको आयतन परिवर्तनले सक्रिय पदार्थलाई वर्तमान कलेक्टरसँग अनलोड गर्न पनि सक्छ, जसले गर्दा सक्रिय पदार्थको यो भाग उपलब्ध हुँदैन। सक्रिय पदार्थको इनकोन्ड लिथियम प्रक्रिया ब्याट्री भित्र आयन माइग्रेसन र बाह्य इलेक्ट्रोन माइग्रेसनसँगै हुन्छ।

इलेक्ट्रोलाइट इलेक्ट्रोनिक रूपमा इन्सुलेटेड भएकोले, केवल आयनहरू मात्र आपूर्ति गर्न सकिन्छ। इलेक्ट्रोनको आचरण प्रवाहकीय एजेन्टद्वारा इलेक्ट्रोड सतहद्वारा निर्मित प्रवाहकीय नेटवर्कको लागि महत्त्वपूर्ण छ। इलेक्ट्रोड सामग्रीको आयतनमा बारम्बार परिवर्तन हुँदा प्रवाहकीय नेटवर्कबाट आंशिक सक्रिय पदार्थहरू एक अलग प्रणाली बनाउन सक्छन्, जुन उपलब्ध छैन।

इलेक्ट्रोड संरचनामा भएको यो परिवर्तनलाई पोरोसिटी वा विशिष्ट सतह क्षेत्र जस्ता विधि मापन गरेर मापन गर्न सकिन्छ। यो प्रक्रियालाई फोकल आयन बीम (FIB) प्रयोग गरेर इलेक्ट्रोड सतह मिलाएर, SEM प्रयोग गरेर रूपात्मक अवलोकन वा SEM प्रयोग गरेर एक्स-रे टोमोग्राफी परीक्षण गरेर पनि मिलाउन सकिन्छ। Si नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री सफा गरिन्छ र प्रवाहकीय नेटवर्कबाट अलग गरिन्छ।

सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थको सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थ प्रायः संक्रमण धातु अक्साइड हुन्छ, जस्तै लिथियम कोबाल्टेट (LiMn2O4), वा पोलिआनेट लिथियम नुन, लिथियम आइरन फस्फेट (LifePo4)। धेरैजसो सकारात्मक सक्रिय पदार्थहरू एम्बेडेड प्रतिक्रिया संयन्त्रहरू हुन्, र तिनीहरूको तनाव संयन्त्र र मन्दी संयन्त्रहरू प्रायः दानाहरूको पतन र माथिको सक्रिय पदार्थहरूको विवरणको कारणले हुन्छन्। SEI फिल्म पनि सकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहबाट उत्पन्न र प्रभावित हुन्छ, तर सकारात्मक इलेक्ट्रोडको सतहमा उच्च क्षमता हुन्छ, र यसको SEI फिल्म धेरै पातलो र स्थिर हुन्छ।

यसको अतिरिक्त, सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री पनि आन्तरिक ताप उत्पादनको प्रभावको लागि संवेदनशील हुन्छ, विशेष गरी जब ब्याट्री ओभरचेयरमा हुन्छ। चार्जको समयमा, उच्च चापमा इलेक्ट्रोलाइट अस्थिर हुन्छ, जसले गर्दा इलेक्ट्रोलाइट र सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थ उत्पन्न हुन्छ, जसले गर्दा ब्याट्रीको आन्तरिक तापक्रम बढ्दै जान्छ, र सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीले अक्सिजन छोड्छ। थप स्तरोन्नति, जसको परिणामस्वरूप थर्मल नियन्त्रण बाहिर जान्छ, यसले ब्याट्रीमा विनाशकारी विफलता निम्त्याउँछ।

प्रि-चार्जको समयमा हुने सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीलाई ग्यास क्रोमेटोग्राफीद्वारा विश्लेषण गर्न सकिन्छ र एक्स-रे स्पेक्ट्रम पत्ता लगाउने इलेक्ट्रोड सामग्री संरचनाद्वारा इलेक्ट्रोड सामग्री संरचनाको विश्लेषण वा पत्ता लगाउन सकिन्छ। यद्यपि, हाल कुनै पनि विफलता मोडेल छैन जसले अत्यधिक चार्ज गरिएको ग्यास ओभरफ्लोद्वारा ब्याट्री भित्रको भविष्यवाणी गर्न सक्छ। सारांश: लिथियम-आयन ब्याट्री सकारात्मक र नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीको विफलता संयन्त्र मोड SEI झिल्लीको विघटन, लिथियम प्रत्यायोजित क्रिस्टल वा कपरप्रिन क्रिस्टलको उत्पादन, सक्रिय सामग्री कणहरूको पाउडर र ताप विघटन ग्यास, आदिको लागि महत्त्वपूर्ण छ।

ती मध्ये, लिथियम डेरिभेटिभ वा तामा प्रतिनिधिहरूको उत्पादन, सामग्री विघटन ग्यास सजिलैसँग कोषको नियन्त्रण बाहिरको थर्मलको कारणले हुन्छ, जसले ब्याट्रीको दहन, र विस्फोट पनि निम्त्याउँछ। लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको विफलतालाई फेड मोडद्वारा विश्लेषण गरिन्छ, र ब्याट्रीको सामग्री, संरचनालाई अनुकूलन गरेर र ब्याट्रीको वातावरणीय अनुकूलन, विश्वसनीयता र सुरक्षामा सुधार गरेर संयन्त्रलाई अनुकूलित गरिन्छ। त्यसकारण, ब्याट्रीको उत्पादन र व्यावहारिक प्रयोगको लागि धेरै महत्त्वपूर्ण मार्गदर्शक महत्त्व छ।