Обзор анализа неисправностей и механизма неисправностей литий-ионных аккумуляторов

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Soláthraí Stáisiún Cumhachta Inaistrithe

Образование и рост пленки 1SEI происходит в коммерческой литий-ионной аккумуляторной системе, а часть потери емкости аккумулятора обусловлена ​​побочным эффектом между графитом и органическим электролитом, а графит легко вступает в электрохимическую реакцию с литий-ионным органическим электролитом, особенно растворителем является винилкарбонат (EC) и диметилкарбонат (DMC). Когда литий-ионный аккумулятор находится на первом этапе зарядки (этапе), происходит образование отрицательного электролита и литий-ионного электролита, а также на поверхности графита образуется слой пленки твердого электролита (SEI), что может стать причиной части необратимой емкости. Пленка SEI обеспечивает передачу ионов, защищая реактивное вещество, а также предотвращает нарушение стабильности работы активного материала аккумулятора, предотвращая проникновение активного вещества.

Однако в ходе последующего цикла работы батареи, поскольку постоянное расширение и сжатие материала электрода приводит к появлению нового активного участка, это может привести к непрерывному механизму выхода из строя, то есть емкость батареи будет непрерывно снижаться. Этот механизм разрушения можно объяснить процессом электрохимического восстановления поверхности электрода, который выражается в непрерывном увеличении толщины пленки SEI. Таким образом, изучение химических компонентов и морфологии пленки SEI может быть более глубоким, что может стать причиной снижения емкости и мощности литий-ионных аккумуляторов.

Процесс формирования пленки SEI В последние годы исследователи пытались изучить природу мембран SEI посредством экспериментов по демонтажу небольших аккумуляторных систем. Процесс разборки аккумуляторной батареи осуществляется в аэрозольном инертном газовом перчаточном боксе ( <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.

Хотя для характеристики пленки SEI использовались многие методы испытаний, фактическая модель роста пленки SEI в батарее используется для характеристики более продвинутых и прямых способов. Сложность заключается в том, что пленка SEI осложнена различными веществами, как органическими, так и неорганическими, а ее состав сложен, и она очень хрупкая и легко реагирует на окружающую среду. Если это некорректно, то трудно получить истинную информацию из фильма SEI.

Утолщение пленки SEI представляет собой типичную электрохимическую паразитную побочную реакцию, которая тесно связана с кинетикой реакции, процессом массопереноса и структурной геометрией батареи. Однако изменение пленки SEI напрямую не приводит к деструктивному отказу, а ее разложение лишь вызовет повышение внутренней температуры батареи, что в свою очередь может привести к выделению разлагающегося газа, а сильный нагрев приведет к выходу батареи из-под контроля. В FMMEA образование и рост пленки SEI рассматривается как механизм потерь, который может привести к снижению емкости аккумулятора и увеличению внутреннего сопротивления.

2. Литиевые дендриты образуются, если аккумулятор быстро заряжается при плотности тока, превышающей его номинальный ток, и отрицательная поверхность легко преобразуется в металлический литиевый дендрид. Этот дендритный кристалл легко прокалывает диафрагму, вызывая короткое замыкание внутри батареи. Такая ситуация может привести к выходу батареи из строя или ее разрушению, и ее трудно обнаружить до того, как произойдет короткое замыкание батареи.

В последние годы исследователи изучали скорость роста литиевого дендрида и взаимосвязь между скоростью роста литиевых дендритов и диффузионной способностью литиевых дендритов. Эксперименты показывают, что рост литиевых делегр трудно обнаружить или наблюдать в полной системе аккумуляторов, и текущая модель ограничивается ростом литиевых дендритов в рамках одной системы. В экспериментальной системе прозрачная батарея, изготовленная из кварцевого стекла, позволяет наблюдать процесс роста литиевых дендритов in situ.

Исследователь Чжан Юэгоно из Сучжоуского института нанотехнологий и нанобионики в моей стране раскрыл процесс формирования литиевых дендритов (показанный на видео) с помощью технологии сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Однако в коммерческих литий-ионных аккумуляторных системах трудно добиться первоначального наблюдения литиевых ветвей. Универсальный подход заключается в наблюдении за кристаллами литиевой ветви путем разборки батареи.

Однако поскольку активность литиевой ветви очень высока, сложно проанализировать детали генерации. Зир и др. Предложено делать электронные микрограммы электродов, окрашивая структуру электрода, для определения положения дендритов.

Если перед демонтажем батареи образование кристалла литиевой ветви вызвало внутреннее короткое замыкание внутри, то эту часть дендритного кристалла может быть трудно наблюдать, поскольку огромный импульсный ток внутреннего короткого замыкания может вызвать кристаллизацию литиевой ветви. Локальное микропористое закрытие диафрагмы предполагает возможное место роста литиевых дендритов, однако эти части могут быть частично перегреты или вызваны примесями металлов. Поэтому дальнейшее развитие моделей отказов для прогнозирования возникновения литиевых ветвей, и в то же время, очень важно для изучения взаимосвязи срока службы и отказов в различных условиях эксплуатации.

3. Загрязнение частиц активного материала происходит неравномерно при дозировании быстрого заряда и разряда или электродного активного вещества, активный материал склонен к порошкообразованию или фрагментации. В общем, по мере расширения батареи микронные частицы, внутреннее напряжение ионов могут быть разрушены. Начальную трещину можно наблюдать с помощью СЭМ на поверхности частиц активного материала.

По мере многократного внедрения ионов лития трещины постоянно расширяются, что приводит к растрескиванию частиц. Трескающиеся частицы обнажают новую активную поверхность, и на новой поверхности образуется пленка SEI. Путем исследования и анализа напряжений при внедрении литий-ионов разработаны более совершенные материалы для электродов аккумуляторов.

Кристенсен и Ньюман и др. Разработана первоначальная модель встроенного напряжения литий-ионных аккумуляторов, а другие исследователи расширили возможности различных материалов, а также геометрической морфологии материалов. Модель ионно-встроенного напряжения поможет исследователям разрабатывать более активные вещества.

Однако потеря емкости и мощности частиц активного материала изучается дополнительно, а механизм разрушения вследствие фрагментации частиц всесторонне прогнозируется для прогнозирования срока службы литий-ионных аккумуляторов. Изменение объема материала электрода также может привести к разгрузке активного вещества с токосъемника, в результате чего эта часть активного вещества окажется недоступной. Процесс инконденсации лития в активном материале сопровождается миграцией ионов и внешней миграцией электронов внутри батареи.

Поскольку электролит электронно изолирован, возможна подача только ионов. Проведение электронов имеет важное значение для проводящей сети, создаваемой поверхностью электрода проводящим агентом. Частые изменения объема материала электрода могут привести к частичному выходу активных веществ из проводящей сети с образованием изолированной системы, что недоступно.

Это изменение структуры электрода можно измерить с помощью такого метода, как измерение пористости или удельной площади поверхности. Этот процесс также можно осуществить путем фрезерования поверхности электрода с использованием фокусированного ионного пучка (ФИП), используя СЭМ для проведения морфологического наблюдения или рентгеновского томографического исследования с использованием СЭМ. Материал отрицательного электрода Si очищается и отсоединяется от проводящей сети.

Активным веществом положительного электрода в основном является оксид переходного металла, такой как кобальтат лития (LiMn2O4) или полианат литиевой соли, фосфат лития-железа (LifePo4). Большинство положительных активных веществ представляют собой встроенные механизмы реакции, а их механизмы стресса и механизмы рецессии в основном обусловлены падением гранул и описанием активных веществ выше. Пленка SEI также образуется и подвергается воздействию поверхности положительного электрода, но поверхность положительного электрода имеет высокий потенциал, а ее пленка SEI очень тонкая и стабильная.

Кроме того, материал положительного электрода также подвержен влиянию внутреннего тепловыделения, особенно при чрезмерном нагреве батареи. Во время заряда электролит становится нестабильным под высоким давлением, в результате чего электролит и вещество положительного электрода становятся активными, из-за чего внутренняя температура батареи продолжает расти, а материал положительного электрода выделяет кислород. Дальнейшая модернизация, приводящая к выходу аккумулятора из-под контроля, приведет к его разрушению.

Материал положительного электрода, который образуется во время предварительной зарядки, можно проанализировать с помощью газовой хроматографии для анализа или обнаружения структуры материала электрода с помощью рентгеновского спектрального обнаружения структуры материала электрода. Однако в настоящее время не существует модели, которая могла бы предсказать внутреннюю часть аккумулятора по переполнению заряженного газа. Резюме: Механизм разрушения материала положительного и отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора важен для разложения мембраны SEI, образования литиевых делегированных кристаллов или кристаллов меди, порошка частиц активного материала и газа теплового разложения и т. д.

Среди них образование производных лития или медных делегаций, разложение материала, газообразное, легко может быть вызвано термическим выходом из-под контроля элемента, что приводит к возгоранию батареи и даже взрыву. Отказ литий-ионных аккумуляторов анализируется с помощью угасающего режима, а механизм оптимизируется путем оптимизации материала аккумулятора, структуры и улучшения экологической адаптивности, надежности и безопасности аккумулятора. Поэтому существует очень важное руководящее значение для производства и практического применения аккумулятора.