Kao osnovni medij za transport litijum{0}}jona unutar baterije, elektrolit igra ključnu ulogu kao "jonski provodnik", "zaštitnik sučelja elektrode" i "most za prijenos naboja". Njegova količina mora biti striktno usklađena s veličinom elektrode baterije, poroznošću i zapreminom inkapsulacije kako bi se osiguralo dovoljno vlaženje aktivnih materijala elektrode i nesmetani putevi transporta litijum{2}}jona. Nedovoljan elektrolit (koji se u industriji naziva "ispod-elektrolita") nije samo pitanje nedovoljnog medija; narušava unutrašnju elektrohemijsku ravnotežu baterije, pokrećući niz lančanih reakcija koje dovode do degradacije performansi i kvara sigurnosti. Većina ovih oštećenja je nepovratna, što ozbiljno utječe na vijek trajanja i sigurnost baterije. Sljedeća analiza, zasnovana na stvarnim principima rada baterija, daje detalje o njihovim specifičnim negativnim uticajima i osnovnim mehanizmima.
Da bismo olakšali jasno razumijevanje, prvo razjasnimo osnovnu premisu: Osnovna funkcija elektrolita je otapanje litijevih soli (kao što su LiPF6, LiFSI, itd.), obezbjeđujući slobodno pokretne litijeve ione, dok istovremeno vlaže aktivne materijale pozitivne i negativne elektrode (kao što su ternarni materijali, litijumski separator, litijum i separator itd.). izgradnja stabilnog interfejsa elektroda/elektrolit (SEI film, CEI film), osiguravajući efikasan i stabilan transport litijum jona između pozitivne i negativne elektrode.
I. Značajan pad kapaciteta (nizak kapacitet)
Najdirektniji i najintuitivniji uticaj nedovoljnog elektrolita je da je stvarni kapacitet pražnjenja baterije znatno niži od projektovanog kapaciteta, a ovaj pad kapaciteta je nepovratan, kontinuirano se pogoršavajući sa povećanjem broja ciklusa. Osnovni mehanizam leži u činjenici da se aktivni materijali pozitivne i negativne elektrode ne mogu u potpunosti navlažiti elektrolitom; samo mala količina površinski aktivnog materijala može sudjelovati u reakciji umetanja/ekstrakcije litijum jona, dok velika količina unutrašnjeg aktivnog materijala ostaje "neaktivna" i ne može ispoljiti elektrohemijsku aktivnost.
Iz strukturalne perspektive, i pozitivne i negativne elektrode su porozne (sa poroznošću obično između 30% i 50%). Elektrolit mora u potpunosti ispuniti ove pore kako bi omogućio litij-ionima da kontaktiraju svaku aktivnu česticu. Ako je elektrolit nedovoljan, kontinuirana elektrolitna faza se ne može formirati unutar pora, a litijevi joni mogu se kretati samo unutar ograničenog područja na površini elektrode. Ovo značajno smanjuje broj litijum jona koji učestvuju u elektrohemijskoj reakciji, sprečavajući oslobađanje punog projektovanog kapaciteta tokom pražnjenja.
Nadalje, u stanju niskog-elektrolita, tokom prvog punjenja, neki nenavlaženi aktivni materijali ne mogu formirati stabilan međufazni film. Čak i uz naknadno dopunjavanje elektrolita, malo je vjerovatno da će ovi aktivni materijali povratiti aktivnost, što dovodi do nepovratnog opadanja kapaciteta i sprječava povratak na projektnu vrijednost kroz cikluse punjenja.
ACEY{0}BCT560-64PTester kapaciteta litijumske baterijeje savršeno rješenje za testiranje i procjenu performansi litijum{0}}jonskih baterija. Ova-najsavremenija--oprema sadrži naprednu tehnologiju za precizno mjerenje i analizu različitih parametara uključujući napon, struju, temperaturu i još mnogo toga.
II. Oštro povećanje unutrašnjeg otpora baterije
Unutarnji otpor litijumske baterije uglavnom se sastoji od tri dijela: omskog otpora, otpora prijenosa naboja i otpora difuzije. Nedovoljna količina elektrolita dovodi do značajnog povećanja posljednja dva, što na kraju uzrokuje nagli porast ukupnog unutrašnjeg otpora baterije, što zauzvrat utiče na efikasnost punjenja/pražnjenja i izlazne performanse.
S jedne strane, povećana otpornost prijenosa naboja: otpor prijenosa naboja uglavnom se javlja na sučelju elektroda/elektrolit, oslanjajući se na stabilan međufazni film i dovoljno elektrolita za prijenos naboja. Kada je elektrolit nedovoljan, površina elektrode nije dovoljno navlažena, a međufazni filmovi (SEI film, CEI film) ne mogu se ravnomjerno prekriti. Otpor na umetanje/vađenje litij jona na površini elektrode se povećava, usporavajući prijenos naboja i uzrokujući eksponencijalno povećanje otpora prijenosa naboja. S druge strane, povećana otpornost na difuziju: Brzina difuzije litijum jona u elektrolitu je direktno povezana sa kontinuitetom i koncentracijom elektrolita. Nedovoljna količina elektrolita dovodi do neujednačene koncentracije elektrolita, pri čemu neka područja čak postaju prazna područja "bez elektrolita-". Put difuzije litij jona je blokiran, difuziona udaljenost postaje duža, a difuzioni otpor značajno raste.
III. Značajno pogoršanje performansi ciklusa
Performanse ciklusa su osnovni pokazatelj životnog vijeka litijumske baterije, koji se odnosi na sposobnost baterije da održi stabilan kapacitet tokom ponovljenih ciklusa punjenja{0}}pražnjenja. Nedovoljna količina elektrolita dovodi do oštrog pogoršanja performansi ciklusa i sklona je abnormalnim pojavama kao što je iznenadni i značajan pad kapaciteta nakon jednog ciklusa. Ovo je u suštini začarani krug uzrokovan povećanim unutrašnjim otporom.
Kao što je ranije spomenuto, nedovoljan elektrolit dovodi do povećanog unutrašnjeg otpora. Osnovna posljedica povećanog unutrašnjeg otpora je pojačano lokalizirano zagrijavanje tokom punjenja i pražnjenja baterije (prema Jouleovom zakonu Q=I²Rt, uz konstantnu struju, veći unutrašnji otpor dovodi do veće proizvodnje topline). Lokalizirano pregrijavanje ubrzava razgradnju elektrolita-na visokim temperaturama, elektrolit prolazi kroz redoks reakcije, stvarajući plinove kao što su CO₂ i HF, kao i inertne tvari, dodatno troše preostali elektrolit i dovode do još više nedovoljne količine elektrolita. Istovremeno, visoke temperature također oštećuju stabilan film na sučelju elektroda/elektrolit (SEI film će puknuti i rekonstruirati se). Puknuti SEI film će ponovo potrošiti litijeve jone i elektrolit da se popravi, dodatno povećavajući otpor prijenosa naboja.
Ovaj začarani krug „niskog nivoa elektrolita → povećanog unutrašnjeg otpora → lokalizovanog zagrijavanja → raspadanja elektrolita → pogoršanog niskog nivoa elektrolita“ uzrokuje da kapacitet baterije kontinuirano opada tokom ciklusa, a brzina pada se ubrzava. Kada broj ciklusa dostigne određeni nivo, međufazni film potpuno propadne, ili se elektrolit iscrpi, dolazi do značajnog pada kapaciteta. Nadalje, nizak nivo elektrolita također dovodi do loše konzistentnosti kapaciteta tokom ciklusa baterije. U seriji baterija sa više-ćelija, ćelije sa niskim nivoom elektrolita će se prvo smanjiti, što će smanjiti performanse i životni vijek cijelog paketa baterija.
IV. Jako stvaranje toplote tokom punjenja i pražnjenja
Proizvodnja topline uzrokovana nedostatkom elektrolita je kritična veza između degradacije performansi i sigurnosnog kvara. Generisanje toplote uglavnom potiče iz dva izvora, koji imaju kumulativni efekat, što dovodi do nenormalno visoke temperature baterije i predstavlja potencijalni rani rizik od toplotnog odlaska.
- Katalitičko stvaranje topline zbog unutrašnjeg otpora
Kao što je ranije spomenuto, nedovoljan elektrolit dovodi do naglog povećanja unutrašnjeg otpora, značajno povećavajući Joule toplinu koja se stvara tijekom punjenja i pražnjenja. Nadalje, zbog nedovoljnog elektrolita, smanjuje se i vlastiti kapacitet odvođenja topline (elektrolit također ima određenu funkciju odvođenja topline, vodeći toplinu koju stvaraju elektrode do kućišta baterije).
- Nenormalna reakcija stvaranja toplote
Nedovoljna količina elektrolita uzrokuje nestabilnost filma međusklopa elektrode, što ga čini sklonim sporednim reakcijama. Ovo se manifestuje kao značajno povećanje temperature kućišta baterije tokom punjenja i pražnjenja (normalne temperature punjenja i pražnjenja su tipično 20-45 stepeni, ali nedovoljne baterije elektrolita mogu porasti iznad 50 stepeni), posebno primetno tokom punjenja, ponekad čak i postaju "vruće na dodir". Ako je baterija pod velikom brzinom punjenja i pražnjenja, stvaranje topline će se dalje intenzivirati, potencijalno premašivši temperaturu raspadanja elektrolita (obično iznad 60 stepeni), ubrzavajući razgradnju elektrolita i starenje elektroda, stvarajući potencijalnu opasnost za sigurnost za naknadne kvarove. Nadalje, produženo stvaranje topline može dovesti do deformacije kućišta baterije i starenja zaptivača, što potencijalno može uzrokovati curenje elektrolita i dodatno pogoršati stanje baterije.
ACEY{0}BCT506-512Hoprema za testiranje napunjenosti baterijekoristi moderne elektronske uređaje za nadzor i upravljanje umjesto ručnog rada za praćenje napona, struje, kapaciteta, energije, formacije i drugih parametara distribuirane baterije u realnom vremenu-u realnom vremenu, dijagnosticiranje i rukovanje kvarovima, evidentiranje i analiziranje relevantnih podataka, kako bi se realizovala nenadzirana i batch obrada u procesu formiranja, softver za kompjutersko upravljanje za centralizirano praćenje i održavanje opreme.
V. Litijumsko oblaganje na negativnoj elektrodi ili paljenje
Ovo je najozbiljniji negativan uticaj nedovoljne količine elektrolita, koji direktno utiče na sigurnost baterije i predstavlja jedan od primarnih načina kvara za baterije ispod{0}}elektrolita. Osnovni uzrok litijumskog oblaganja je: nedovoljan elektrolit dovodi do lošeg lokalnog vlaženja negativne elektrode, što rezultira neravnomjernim formiranjem SEI filma. Litijum joni se ne mogu pravilno ugraditi između slojeva grafita i mogu samo taložiti metalni litijum na površini negativne elektrode (tj. "litijumsko prevlačenje"), uzrokujući direktan kontakt između pozitivne i negativne elektrode unutar baterije, izazivajući unutrašnji kratki spoj.
Unutrašnji kratki spoj trenutno generiše veliku količinu toplote, što dovodi do naglog porasta temperature baterije (trenutačno preko 100 stepeni), što dovodi do toplotnog bijega. Visoke temperature uzrokuju burnu razgradnju elektrolita, stvarajući velike količine zapaljivih i eksplozivnih plinova (kao što su CO i CH4). Unutrašnji pritisak baterije naglo raste, što na kraju uzrokuje pucanje i curenje kućišta baterije. Ako plin dođe u kontakt sa zrakom, ili ako unutrašnja temperatura dosegne tačku paljenja elektrolita ili materijala elektrode, može se zapaliti ili čak eksplodirati. Nadalje, čak i bez unutrašnjeg kratkog spoja, taloženi metalni litijum će reagovati sa elektrolitom, trošeći i elektrolit i litijum ione, dodatno ubrzavajući degradaciju performansi baterije i rizike po bezbednost. Prilikom rastavljanja baterije sa izrazito nedovoljnim elektrolitom, metalne naslage litijuma mogu se čak direktno uočiti na površini negativne elektrode i ona je sklona paljenju.
Rezime
Nedostatak elektrolita u litijumskim baterijama nije "manji kvar", već uzrokuje nepovratno oštećenje baterije iznutra prema van, što utiče na performanse, životni vijek i sigurnost. Njegov uticaj pokazuje karakteristiku "lančane reakcije": nedovoljno elektrolita → neadekvatno vlaženje → ometani transport litijum jona → povećan unutrašnji otpor → povećano stvaranje toplote → razgradnja elektrolita → pogoršanje nedovoljno elektrolita → taloženje litijuma → unutrašnji kratki spoj → požar i eksplozija. U stvarnoj proizvodnji i upotrebi, količina upotrijebljenog elektrolita mora biti strogo kontrolirana, obično izračunata precizno na osnovu parametara kao što su poroznost elektroda i zapremina baterije kako bi se izbjegli nedovoljni problemi s elektrolitom.
Ako baterija pokazuje značajno smanjenje dometa (smanjenje kapaciteta preko 20%), nenormalno zagrijavanje tijekom punjenja i pražnjenja, pretjerano visok napon punjenja, pretjerano nizak napon pražnjenja ili oštar pad kapaciteta tokom ciklusa, to može ukazivati na nedovoljan elektrolit. Pravovremena inspekcija i održavanje ključni su za sprječavanje daljnjih oštećenja baterije ili sigurnosnih incidenata. Za velike baterije kao što su baterije za napajanje i baterije za skladištenje energije, nedovoljan elektrolit takođe može uticati na stabilnost celog sistema, zahtevajući fokusiranu pažnju i prevenciju.
