ภาพรวมของการวิเคราะห์ความล้มเหลวและกลไกความผิดพลาดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

著者：Iflowpower – Dodavatel přenosných elektráren

การสร้างและการเติบโตของฟิล์ม 1SEI อยู่ในระบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ และส่วนที่สูญเสียความจุของแบตเตอรี่เกิดจากผลข้างเคียงระหว่างกราไฟท์และอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ และกราไฟท์สามารถทำปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีกับอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ลิเธียมไอออนได้อย่างง่ายดาย โดยเฉพาะตัวทำละลายคือไวนิลคาร์บอเนต (EC) และไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอยู่ระหว่างการชาร์จครั้งแรก (ขั้นตอน) จะเกิดอิเล็กโทรไลต์เชิงลบและอิเล็กโทรไลต์ลิเธียมไอออนและอิเล็กโทรไลต์ลิเธียมไอออนเกิดขึ้นและเกิดชั้นฟิล์มอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (SEI) ขึ้นบนพื้นผิวของกราไฟต์ ซึ่งอาจทำให้ความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ส่วนหนึ่งเกิดขึ้นได้ ฟิล์ม SEI รับประกันการส่งผ่านของไอออนในขณะที่ปกป้องสารที่ทำปฏิกิริยา และป้องกันเสถียรภาพการทำงานของวัสดุที่ใช้งานของวัสดุที่ใช้งานของแบตเตอรี่ในขณะที่ป้องกันสารที่ใช้งาน

อย่างไรก็ตาม ในระหว่างรอบการทำงานของแบตเตอรี่ครั้งถัดไป เนื่องจากการขยายตัวและหดตัวอย่างต่อเนื่องของวัสดุอิเล็กโทรดทำให้เกิดไซต์ที่ใช้งานใหม่ขึ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดกลไกความล้มเหลวแบบสูญเสียต่อเนื่อง นั่นคือ ความจุของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างต่อเนื่อง กลไกความล้มเหลวนี้สามารถอธิบายได้จากกระบวนการลดไฟฟ้าเคมีของพื้นผิวของอิเล็กโทรด ซึ่งแสดงเป็นการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของความหนาของฟิล์ม SEI ดังนั้น การศึกษาองค์ประกอบทางเคมีและสัณฐานวิทยาของฟิล์ม SEI จึงสามารถเจาะลึกได้มากขึ้น เพื่อหาสาเหตุของความจุและการลดลงของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

กระบวนการก่อตัวของฟิล์ม SEI ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยพยายามศึกษาลักษณะของเมมเบรน SEI ผ่านการทดลองถอดประกอบระบบแบตเตอรี่ขนาดเล็ก กระบวนการถอดประกอบแบตเตอรี่จะดำเนินการในกล่องถุงมือก๊าซเฉื่อยแบบละอองลอย ( <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.

แม้ว่าจะมีการใช้หลายวิธีการทดสอบเพื่อกำหนดลักษณะของฟิล์ม SEI แต่มีการใช้แบบจำลองจริงของฟิล์ม SEI ที่เติบโตในแบตเตอรี่เพื่อกำหนดลักษณะของวิธีการที่ก้าวหน้าและตรงไปตรงมามากขึ้น ปัญหาคือฟิล์ม SEI มีความซับซ้อนด้วยสารต่างๆ มากมาย ทั้งสารอินทรีย์และอนินทรีย์ และส่วนประกอบก็ซับซ้อน อีกทั้งเปราะบางและตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อมได้ง่าย หากไม่เหมาะสมก็จะยากที่จะได้รับข้อมูลที่แท้จริงของภาพยนตร์ SEI

การหนาขึ้นของฟิล์ม SEI เป็นปฏิกิริยาปรสิตทางไฟฟ้าเคมีทั่วไป ซึ่งมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา กระบวนการถ่ายเทมวล และรูปทรงโครงสร้างของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนฟิล์ม SEI ไม่ได้นำไปสู่ความล้มเหลวในการทำลายโดยตรง และการสลายตัวของฟิล์มจะส่งผลให้อุณหภูมิภายในแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเท่านั้น ซึ่งอาจทำให้เกิดก๊าซสลายตัวได้ และความร้อนที่รุนแรงจะทำให้เกิดภาวะความร้อนเกินการควบคุม ใน FMMEA การก่อตัวและการเติบโตของฟิล์ม SEI ถือเป็นกลไกการสูญเสียซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่ลดความจุและเพิ่มความต้านทานภายใน

เดนไดรต์ลิเธียม 2 ตัวจะสร้างขึ้นได้หากแบตเตอรี่ถูกชาร์จอย่างรวดเร็วด้วยความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่ากระแสไฟฟ้าที่กำหนด และสามารถก่อตัวเป็นพื้นผิวขั้วลบเพื่อสร้างเดนไดรต์ลิเธียมโลหะได้อย่างง่ายดาย ผลึกเดนไดรต์นี้สามารถเจาะไดอะแฟรมได้ง่าย ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ สถานการณ์นี้อาจส่งผลให้แบตเตอรี่ถูกทำลายและยากต่อการตรวจจับก่อนที่แบตเตอรี่จะเกิดไฟฟ้าลัดวงจร

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ศึกษาอัตราการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์และความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์กับความสามารถในการแพร่กระจายของไอออนลิเธียมเดนไดรต์ การทดลองแสดงให้เห็นว่าการเติบโตของลิเธียมเดเลกราเป็นเรื่องยากที่จะตรวจจับหรือสังเกตได้ในระบบแบตเตอรี่ที่สมบูรณ์ และแบบจำลองปัจจุบันจำกัดอยู่ที่การเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ภายใต้ระบบเดียวเท่านั้น ในระบบทดลอง แบตเตอรี่โปร่งใสที่สร้างจากแก้วควอตซ์สามารถสังเกตการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ลิเธียมในสถานะได้

นักวิจัยจางเยว่โกโนแห่งสถาบันวิจัยนาโนเทคโนโลยีและนาโนไบโอนิกซูโจวในประเทศของฉันได้เปิดเผยกระบวนการก่อตัวของเทคโนโลยีลิเธียมเดนไดรต์ (ตามที่แสดงในวิดีโอ) ในเทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) อย่างไรก็ตาม ในระบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ การจะสังเกตสาขาลิเธียมในรูปแบบเดิมนั้นทำได้ยาก สถานการณ์ทั่วไปคือการสังเกตผลึกลิเธียมสาขาโดยการถอดแบตเตอรี่ออก

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกิจกรรมของสาขาลิเธียมมีค่าสูงมาก จึงยากที่จะวิเคราะห์รายละเอียดของการผลิต เซียร์และคณะ เสนอให้วาดไมโครกรัมอิเล็กตรอนอิเล็กโทรดโดยการย้อมโครงสร้างอิเล็กโทรดเพื่อกำหนดตำแหน่งของเดนไดรต์

หากก่อนที่จะถอดแบตเตอรี่ การสร้างผลึกลิเธียมสาขาทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายใน ก็อาจสังเกตส่วนของผลึกเดนไดรต์นี้ได้ยาก เนื่องจากกระแสพัลส์ขนาดใหญ่ของการลัดวงจรภายในอาจทำให้เกิดการตกผลึกของผลึกลิเธียมสาขาได้ การปิดรูพรุนขนาดเล็กในท้องถิ่นของไดอะแฟรมบ่งชี้ถึงตำแหน่งการเจริญเติบโตที่เป็นไปได้ของเดนไดรต์ลิเธียม แต่ชิ้นส่วนเหล่านี้อาจเกิดความร้อนสูงเกินไปบางส่วนหรือเกิดจากสิ่งปนเปื้อนของโลหะ ดังนั้น การพัฒนาเพิ่มเติมของแบบจำลองความล้มเหลวเพื่อคาดการณ์การเกิดขึ้นของสาขาลิเธียม และในเวลาเดียวกัน การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอายุการใช้งานและความล้มเหลวภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกันจึงเป็นสิ่งที่มีความหมายอย่างมาก

3 การผสมเกสรของอนุภาคของวัสดุที่ใช้งานมีความไม่สม่ำเสมอในการจ่ายประจุอย่างรวดเร็วและการคายประจุหรือสารที่ใช้งานของอิเล็กโทรด วัสดุที่ใช้งานมีแนวโน้มที่จะเป็นผงหรือแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย โดยทั่วไป เมื่อแบตเตอรี่ขยายออก อนุภาคขนาดไมครอน ซึ่งเป็นความเครียดภายในของไอออนก็อาจแตกออกไป สามารถสังเกตเห็นรอยแตกร้าวเริ่มแรกได้ด้วย SEM บนพื้นผิวของอนุภาควัสดุที่ใช้งานอยู่

เนื่องจากการฝังตัวของไอออนลิเธียมซ้ำๆ รอยแตกร้าวจึงขยายตัวออกอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้อนุภาคเกิดรอยแตกร้าว อนุภาคที่แตกร้าวจะเผยให้เห็นพื้นผิวที่ใช้งานใหม่ และฟิล์ม SEI จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวใหม่ ด้วยการวิจัยและวิเคราะห์ความเค้นฝังลิเธียมไอออน ช่วยให้ออกแบบวัสดุอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ได้ดีขึ้น

Christensen และ Newman และคณะ พัฒนาแบบจำลองความเค้นฝังลิเธียมไอออนเบื้องต้น และนักวิจัยอื่นๆ ได้ขยายขอบเขตของวัสดุชนิดต่างๆ และสัณฐานวิทยาทางเรขาคณิตของวัสดุและวัสดุ แบบจำลองความเค้นฝังไอออนจะช่วยให้นักวิจัยสามารถออกแบบสารที่มีฤทธิ์มากขึ้น

อย่างไรก็ตาม การสูญเสียความจุและกำลังของอนุภาคของวัสดุที่ใช้งานอยู่ยังได้รับการศึกษาเพิ่มเติม และกลไกความล้มเหลวของการแตกตัวของอนุภาคได้รับการคาดการณ์อย่างครอบคลุมเพื่อคาดการณ์อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของวัสดุอิเล็กโทรดอาจทำให้สารออกฤทธิ์ถูกระบายออกจากตัวรวบรวมกระแสไฟฟ้า ทำให้ส่วนสารออกฤทธิ์นี้ไม่สามารถใช้การได้ กระบวนการลิเธียมแบบไม่มีโคนของวัสดุแอคทีฟจะมาพร้อมกับการอพยพของไอออนและการอพยพของอิเล็กตรอนภายนอกภายในแบตเตอรี่

เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ได้รับการหุ้มฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ จึงสามารถจ่ายได้เฉพาะไอออนเท่านั้น การนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนมีความสำคัญต่อเครือข่ายตัวนำที่สร้างขึ้นโดยพื้นผิวอิเล็กโทรดโดยตัวนำไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของวัสดุอิเล็กโทรดบ่อยครั้งอาจส่งผลให้สารออกฤทธิ์บางส่วนจากโครงข่ายตัวนำก่อตัวเป็นระบบแยกตัวซึ่งไม่สามารถใช้ได้

การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างอิเล็กโทรดนี้สามารถวัดได้โดยการวัดวิธีการ เช่น รูพรุนหรือพื้นที่ผิวเฉพาะ กระบวนการนี้สามารถทำได้โดยการกัดพื้นผิวของอิเล็กโทรดโดยใช้ลำแสงไอออนโฟกัส (FIB) โดยใช้ SEM เพื่อดำเนินการสังเกตสัณฐานวิทยาหรือทดสอบการถ่ายภาพเอกซเรย์ด้วย SEM วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบของ Si จะถูกทำความสะอาดและแยกออกจากโครงข่ายตัวนำ

สารออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดบวกส่วนใหญ่คือออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน เช่น ลิเธียมโคบอลต์เตต (LiMn2O4) หรือเกลือลิเธียมโพลีอะเนต ลิเธียมไอเอิร์นฟอสเฟต (LifePo4) สารออกฤทธิ์เชิงบวกส่วนใหญ่เป็นกลไกปฏิกิริยาแบบฝังตัว ส่วนกลไกความเค้นและกลไกการหดตัวส่วนใหญ่เกิดจากการหลุดร่วงของเม็ดและคำอธิบายของสารออกฤทธิ์ข้างต้น ฟิล์ม SEI ยังถูกสร้างและได้รับผลกระทบจากพื้นผิวของอิเล็กโทรดบวกอีกด้วย แต่พื้นผิวของอิเล็กโทรดบวกจะมีศักย์สูง และฟิล์ม SEI นั้นบางและเสถียรมาก

นอกจากนี้ วัสดุอิเล็กโทรดบวกยังไวต่ออิทธิพลของความร้อนภายในอีกด้วย โดยเฉพาะเมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จจนเต็ม ในเวลาที่มีการชาร์จ อิเล็กโทรไลต์จะไม่เสถียรภายใต้แรงดันสูง ซึ่งส่งผลให้มีอิเล็กโทรไลต์และสารอิเล็กโทรดบวกที่ทำงานอยู่ ส่งผลให้อุณหภูมิภายในแบตเตอรี่ยังคงเพิ่มสูงขึ้น และวัสดุอิเล็กโทรดบวกจะปล่อยออกซิเจนออกมา การอัพเกรดเพิ่มเติมส่งผลให้ความร้อนเกินการควบคุม และอาจส่งผลให้แบตเตอรี่เสียหายได้

วัสดุอิเล็กโทรดบวกที่เกิดขึ้นในระหว่างการชาร์จล่วงหน้าสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้แก๊สโครมาโทกราฟีเพื่อวิเคราะห์หรือตรวจจับโครงสร้างวัสดุอิเล็กโทรดด้วยโครงสร้างวัสดุอิเล็กโทรดตรวจจับสเปกตรัมรังสีเอกซ์ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันยังไม่มีแบบจำลองความล้มเหลวที่สามารถคาดการณ์การไหลล้นของแก๊สภายในแบตเตอรี่ได้ บทสรุป: กลไกความล้มเหลวของวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความสำคัญต่อการสลายตัวของเมมเบรน SEI การผลิตคริสตัลลิเธียมที่ส่งมอบหรือคริสตัลคอปเปอร์ไพน์ ผงของอนุภาควัสดุที่ใช้งาน และก๊าซสลายความร้อน เป็นต้น

ในจำนวนนี้ การผลิตอนุพันธ์ของลิเธียมหรือสารประกอบทองแดง ก๊าซสลายตัวของวัสดุสามารถเกิดขึ้นได้ง่ายเนื่องจากความร้อนที่ไม่อาจควบคุมได้ของเซลล์ ส่งผลให้แบตเตอรี่เกิดการเผาไหม้ และอาจถึงขั้นระเบิดได้ ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะได้รับการวิเคราะห์โดยโหมดจาง และกลไกจะได้รับการปรับปรุงโดยการปรับปรุงวัสดุและโครงสร้างของแบตเตอรี่ และปรับปรุงความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อม ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแนวทางการผลิตและการใช้งานจริงของแบตเตอรี่