Visão geral da análise de falhas e mecanismo de falhas da bateria de íons de lítio

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A geração e o crescimento do filme 1SEI ocorrem em um sistema comercial de bateria de íons de lítio, e a perda de capacidade da bateria ocorre devido ao efeito colateral entre grafite e eletrólito orgânico, e o grafite reage facilmente eletroquimicamente com eletrólito orgânico de íons de lítio, especialmente o solvente é carbonato de vinila (EC) e carbonato de dimetila (DMC). Quando a bateria de íons de lítio está durante o primeiro carregamento (estágio), o eletrólito negativo e o eletrólito de íons de lítio ocorrem e o eletrólito de íons de lítio ocorre e uma camada de filme de interface de eletrólito sólido (SEI) é formada na superfície de grafite, o que pode causar uma parte da capacidade irreversível. O filme SEI garante a transmissão de íons enquanto protege a substância reativa e evita a estabilidade da operação do material ativo da bateria enquanto impede a substância ativa.

Entretanto, durante o ciclo subsequente da bateria, como a expansão e contração constantes do material do eletrodo fazem com que um novo sítio ativo seja exposto, isso pode causar um mecanismo de falha por perda contínua, ou seja, a capacidade da bateria é continuamente reduzida. Esse mecanismo de falha pode ser atribuído ao processo de redução eletroquímica da superfície do eletrodo, que é expresso como o aumento contínuo da espessura do filme SEI. Portanto, o estudo dos componentes químicos e da morfologia do filme SEI pode ser mais aprofundado, a causa do declínio da capacidade e da potência da bateria de íons de lítio.

Processo de formação do filme SEI Nos últimos anos, pesquisadores tentaram estudar a natureza das membranas SEI por meio de experimentos de desmontagem de pequenos sistemas de baterias. O processo de desmontagem da bateria é realizado em uma caixa de luvas de gás inerte aerossol ( <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.

Embora muitos métodos de teste tenham sido usados ​​para caracterizar o filme SEI, o modelo real do filme SEI que cresce na bateria é usado para caracterizar maneiras mais avançadas e diretas. A dificuldade é que o filme SEI é complexo com uma variedade de substâncias, como orgânicas e inorgânicas, e o ingrediente é complexo, além de ser muito frágil e fácil de reagir ao ambiente. Se for impróprio, será difícil obter as informações verdadeiras do filme SEI.

O espessamento do filme SEI é uma reação secundária parasitária eletroquímica típica, que tem uma relação próxima com a cinética da reação, o processo de transferência de massa e a geometria estrutural da bateria. No entanto, a troca do filme SEI não leva diretamente à falha destrutiva, e sua decomposição causará apenas um aumento na temperatura interna da bateria, o que por sua vez pode causar a decomposição do gás, e o calor intenso causará descontrole térmico. Na FMMEA, a formação e o crescimento do filme SEI são considerados um mecanismo de perda, que pode fazer com que a bateria reduza a capacidade e aumente a impedância interna.

2 Dendritos de lítio são gerados se a bateria for carregada rapidamente com uma densidade de corrente maior que sua corrente nominal, e a superfície negativa é facilmente formada para formar um dendrito de lítio metálico. Esse cristal dendrítico é fácil de perfurar o diafragma, causando um curto-circuito dentro da bateria. Essa situação pode resultar em falha ou destruição da bateria e é difícil de detectar antes que a bateria entre em curto-circuito.

Nos últimos anos, os pesquisadores estudaram a taxa de crescimento do dendrito de lítio e a relação entre a taxa de crescimento dos dendritos de lítio e a capacidade de difusão de íons de lítio dos dendritos de lítio. Experimentos mostram que o crescimento de delegra de lítio é difícil de detectar ou observar em um sistema de bateria completo, e o modelo atual é limitado ao crescimento de dendritos de lítio em um único sistema. No sistema experimental, a bateria transparente construída com vidro de quartzo pode observar o processo de crescimento de dendritos de lítio in situ.

O pesquisador Zhang Yuegono do Instituto de Nanotecnologia e Pesquisa Nanobiônica de Suzhou, no meu país, revelou o processo de formação de dendritos de lítio (conforme mostrado em vídeo) na tecnologia de microscópio eletrônico de varredura (MEV). Entretanto, no sistema comercial de baterias de íons de lítio, é difícil obter a observação original dos ramos de lítio. A situação universal é observar seus cristais de ramificação de lítio desmontando a bateria.

Entretanto, como a atividade do ramo de lítio é muito alta, é difícil analisar os detalhes da geração. Zier e outros. Propôs-se desenhar microgramas de elétrons do eletrodo tingindo a estrutura do eletrodo para determinar a posição dos dendritos.

Se antes da desmontagem da bateria, a geração do cristal do ramo de lítio causou um curto-circuito interno, então esta parte do cristal dendrítico pode ser difícil de observar porque a enorme corrente de pulso do curto-circuito interno pode causar a cristalização do ramo de lítio. O fechamento microporoso local do diafragma sugere a possível posição de crescimento dos dendritos de lítio, mas essas partes podem estar parcialmente superaquecidas ou causadas por contaminantes de impurezas metálicas. Portanto, é necessário desenvolver ainda mais modelos de falhas para prever o surgimento de ramificações de lítio e, ao mesmo tempo, é muito significativo estudar a relação entre vida útil e falha sob diferentes condições de trabalho.

3 A polinização das partículas do material ativo é irregular na distribuição de carga e descarga rápida ou substância ativa do eletrodo, o material ativo é propenso a pó ou fragmentação. Em geral, à medida que a bateria é estendida, as partículas de tamanho micrométrico e o estresse interno do íon podem ser quebrados. A rachadura inicial pode ser observada por MEV na superfície das partículas do material ativo.

À medida que os íons de lítio são incorporados repetidamente, as rachaduras se estendem constantemente, resultando na quebra das partículas. As partículas rachadas exporão a nova superfície ativa, e o filme SEI será gerado na nova superfície. Por meio de pesquisa e análise do estresse de incorporação de íons de lítio, é possível projetar melhor os materiais dos eletrodos da bateria.

Christensen e Newman et al. Desenvolveu o modelo inicial de estresse incorporado de íons de lítio, e outros pesquisadores expandiram diferentes materiais e a morfologia geométrica dos materiais e materiais. O modelo de estresse incorporado por íons facilitará os pesquisadores a projetar substâncias mais ativas.

No entanto, a perda de capacidade e potência das partículas do material ativo é estudada mais profundamente, e o mecanismo de falha da fragmentação de partículas é previsto de forma abrangente para prever a vida útil das baterias de íons de lítio. A mudança de volume do material do eletrodo também pode fazer com que a substância ativa seja descarregada com o coletor de corrente, de modo que esta parte da substância ativa não fique disponível. O processo de lítio inconed do material ativo é acompanhado pela migração de íons e migração de elétrons externos dentro da bateria.

Como o eletrólito é isolado eletronicamente, somente íons podem ser fornecidos. A condução dos elétrons é importante para a rede condutora construída pela superfície do eletrodo pelo agente condutor. Mudanças frequentes no volume do material do eletrodo podem resultar em substâncias ativas parciais da rede condutora para formar um sistema isolado, o que não está disponível.

Essa mudança na estrutura do eletrodo pode ser medida medindo um método como uma porosidade ou uma área de superfície específica. Este processo também pode ser fresado por meio da fresagem da superfície do eletrodo usando o feixe de íons focal (FIB), usando MEV para realizar observação morfológica ou teste de tomografia de raios X usando MEV. O material do eletrodo negativo de Si é limpo e desengatado da rede condutora.

A substância ativa do eletrodo positivo é principalmente óxido de metal de transição, como cobaltato de lítio (LiMn2O4) ou sal de lítio polianato, fosfato de ferro e lítio (LifePo4). A maioria das substâncias ativas positivas são mecanismos de reação incorporados, e seus mecanismos de estresse e recessão são principalmente devidos à queda de grânulos e à descrição das substâncias ativas acima. O filme SEI também é gerado e afetado pela superfície do eletrodo positivo, mas a superfície do eletrodo positivo tem um alto potencial, e seu filme SEI é muito fino e estável.

Além disso, o material do eletrodo positivo também é suscetível à influência da geração interna de calor, especialmente quando a bateria está sobrecarregada. No momento da carga, o eletrólito se torna instável sob alta pressão, o que resulta em um eletrólito e na substância ativa do eletrodo positivo, o que faz com que a temperatura interna da bateria continue a aumentar, e o material do eletrodo positivo libera oxigênio. Uma atualização posterior, resultando em descontrole térmico, causará falha de destruição da bateria.

O material do eletrodo positivo que ocorre durante a pré-carga pode ser analisado por cromatografia gasosa para analisar ou detectar a estrutura do material do eletrodo por detecção de espectro de raios X. Entretanto, atualmente não há nenhum modelo de falha que possa prever o interior da bateria por transbordamento de gás sobrecarregado. Resumo: O modo de mecanismo de falha do material do eletrodo positivo e negativo da bateria de íons de lítio é importante para a decomposição da membrana SEI, a produção de cristais delegados de lítio ou cristais de cobre, o pó das partículas do material ativo e o gás de decomposição térmica, etc.

Entre elas, a geração de derivados de lítio ou de cobre, cujo gás de decomposição é facilmente causado pelo descontrole térmico da célula, causando a combustão da bateria, e até mesmo a explosão. A falha das baterias de íons de lítio é analisada pelo modo desbotado, e o mecanismo é otimizado pela otimização do material e da estrutura da bateria, além de melhorar a adaptabilidade ambiental, a confiabilidade e a segurança da bateria. Portanto, há um significado orientador muito importante para a produção e aplicação prática da bateria.