I. Introduzione
Le batterie al litio, come importante dispositivo di accumulo di energia, sono state ampiamente applicate nella società moderna, come nei veicoli elettrici e nei dispositivi elettronici portatili. Tuttavia, le batterie al litio possono sperimentare cortocircuiti durante l'uso, il che non solo colpisce le prestazioni della batteria, ma può anche innescare seri problemi di sicurezza, come incendi e esplosioni. La resistenza interna è uno degli indicatori chiave per misurare le prestazioni della batteria al litio. Un aumento della resistenza interna porta a una riduzione della capacità di scarico della batteria, una riduzione della capacità e una durata di servizio abbreviata. Pertanto, studiare le cause dell'aumento della resistenza interna delle batterie al litio durante i cortometraggi ha un importante significato teorico e pratico.
Ii. Composizione della batteria al litio Resistenza interna
La resistenza interna di una batteria al litio consiste principalmente di resistenza ohmica e resistenza alla polarizzazione. La resistenza ohmica include la resistenza degli elettrodi stessi, la resistenza della soluzione di elettroliti, la resistenza riscontrata dagli ioni che passa attraverso i micropori del separatore e la resistenza di contatto tra gli elettrodi positivi\/negativi e il separatore. La resistenza alla polarizzazione è la resistenza conduttiva formata a causa della polarizzazione dell'elettrodo durante la ricarica e lo scarico della batteria, compresa la polarizzazione elettrochimica e la polarizzazione della concentrazione. La polarizzazione elettrochimica è causata dalla lentezza delle reazioni dell'elettrodo, mentre la polarizzazione della concentrazione è causata da cambiamenti nella concentrazione di ioni vicino alla superficie dell'elettrodo.
Iii. Analisi delle cause dell'aumento di resistenza interna delle batterie al litio durante i cortometraggi
(I) Cause di radice a livello di materiale
1.Degradazione di materiali attivi positivi e negativi
Positive electrode materials (such as NCM, LFP) may experience a decrease in electronic conductivity due to the dissolution of transition metals or structural collapse. For example, during the long-term cycling of a battery, transition metal ions in the positive electrode material may dissolve into the electrolyte, leading to structural changes in the positive electrode material and a reduction in its electronic conductivity. Negative electrode graphite may increase lithium ion migration resistance due to the growth of lithium dendrites or an excessively thick SEI film (>100 nm). La crescita dei dendriti di litio può perforare il separatore, causando un corto circuito della batteria, mentre un film SEI eccessivamente spesso può ostacolare la migrazione degli ioni di litio e aumentare la resistenza interna della batteria.
2. Electroliti Invecchiamento e problemi di interfaccia
I prodotti di decomposizione degli elettroliti (come LIF, Li₂co₃) si accumulano sulla superficie dell'elettrodo, formando uno strato di interfaccia ad alta impedenza. In condizioni di alta temperatura o sovraccarico, la viscosità degli elettroliti aumenta e l'efficienza del trasporto di ioni di litio diminuisce. Ad esempio, quando una batteria si trova in un ambiente ad alta temperatura, la viscosità degli elettroliti aumenta e la velocità di migrazione degli ioni di litio rallenta, portando ad un aumento della resistenza interna della batteria.
3.Current Collector and Tab Degradtion
L'ossidazione o la corrosione del foglio di alluminio\/rame portano ad un aumento della resistenza di contatto (comune in ambienti ad alta umidità). La saldatura virtuale di punti di saldatura a schede o affaticamento del materiale (come in condizioni di vibrazione) provoca la resistenza locale a moltiplicare. Durante l'uso della batteria, l'attuale collettore e le schede possono sottoporsi a ossidazione o corrosione dovuta a fattori ambientali, portando ad un aumento della resistenza di contatto. Allo stesso tempo, anche la saldatura virtuale di punti di saldatura o affaticamento del materiale può aumentare la resistenza locale.
(Ii) Effetto di sovrapposizione dei difetti del processo
1. Accerpo di fogli di elettrodi
Le fluttuazioni della densità areale (± 5% o più) portano a una distribuzione irregolare di corrente e un aumento significativo della resistenza di polarizzazione locale. Se il rivestimento di fogli di elettrodi è irregolare, ciò comporterà una distribuzione irregolare di corrente all'interno della batteria, con alcune aree con densità di corrente eccessivamente elevata, causando così un aumento della resistenza di polarizzazione locale.
2.Errori nei processi di impilamento\/avvolgimento
Il disallineamento dei fogli di elettrodi porta al contatto BURR di bordo, aumentando il rischio di circuiti di micro-short e ulteriore impedenza. Durante la produzione di batterie, se vi sono errori nel processo di impilamento o di avvolgimento, può causare disallineamento dei fogli di elettrodi, portando al contatto BURR di bordo, aumentando il rischio di circuiti di micro-short e un'impedenza aggiuntiva.
3.Iniezione di elettroliti insufficienti e bagnatura
L'elettrolita non penetra completamente i pori del separatore (grado di bagnatura <90%), bloccando i canali ionici. Se l'elettrolita non penetra completamente i pori del separatore, bloccherà i canali ionici, rallenterà la velocità di migrazione degli ioni al litio e aumenta la resistenza interna della batteria.
(Iii) Impatto dell'ambiente di utilizzo e delle condizioni operative
1.Ambiente a bassa temperatura
La conduttività ionica dell'elettrolita diminuisce di oltre il 50%e aumentano sia la resistenza ohmica che la resistenza alla polarizzazione. In un ambiente a bassa temperatura, la conduttività ionica dell'elettrolita diminuisce significativamente, portando ad un aumento della resistenza ohmica della batteria e della resistenza alla polarizzazione.
2.Carica e scarico ad alto tasso
La polarizzazione della concentrazione si intensifica, la piattaforma di tensione collassa e una resistenza interna efficace aumenta del 20% - 40%. Quando una batteria subisce la ricarica e lo scarico ad alto tasso, la concentrazione di ioni vicino alla superficie dell'elettrodo cambia rapidamente, portando a polarizzazione di concentrazione intensificata e un aumento della resistenza interna efficace della batteria.
3.Invecchiamento in bicicletta a lungo termine
Effetti cumulativi come la perdita attiva al litio e una diminuzione della porosità dell'elettrodo portano a un tasso di crescita della resistenza interna annuale superiore al 5%. Durante l'uso ciclistico a lungo termine di una batteria, il litio attivo si esaurisce gradualmente e anche la porosità dell'elettrodo diminuisce. Questi effetti cumulativi portano a un tasso di crescita della resistenza interna annuale superiore al 5%.
(Iv) surriscaldamento locale e danni strutturali causati dai cortometraggi
1. surriscaldamento locale
La grande corrente generata durante un corto circuito porta ad un forte aumento della temperatura locale all'interno della batteria. Le alte temperature accelerano il degrado dei materiali interni della batteria, come la decomposizione degli elettroliti e le variazioni della struttura del materiale dell'elettrodo, aumentando ulteriormente la resistenza interna. Ad esempio, quando una batteria sperimenta un corto circuito, la posizione del corto circuito genera una grande quantità di calore, causando il aumento della temperatura locale e la decomposizione degli elettroliti, formando uno strato di interfaccia ad alta impedenza e aumentando la resistenza interna della batteria.
2. Danno strutturale
L'enorme corrente e il calore generati durante un corto circuito possono portare a danni strutturali all'interno della batteria, come la fusione del separatore e la deformazione del materiale dell'elettrodo. Questi danni strutturali influenzano direttamente i canali di trasporto di ioni ed elettroni della batteria, portando a un aumento significativo della resistenza interna. Ad esempio, l'alta temperatura generata durante un corto circuito può fondere il separatore, causando un contatto diretto tra gli elettrodi positivi e negativi, formando una corrente di cortocircuito più grande e danneggiando anche la struttura dei materiali dell'elettrodo, aumentando la resistenza interna della batteria.
IV. Conclusione
Le cause dell'aumento della resistenza interna delle batterie al litio durante i cortocircuiti sono sfaccettate, comprese le cause delle radici a livello di materiale, l'effetto di sovrapposizione dei difetti di processo, l'impatto dell'ambiente di utilizzo e le condizioni operative e il surriscaldamento locale e il danno strutturale causato da cortometraggi. Questi fattori interagiscono tra loro, portando collettivamente ad un aumento della resistenza interna nelle batterie al litio durante i cortocircuiti. Comprendere queste cause è di grande significato per la progettazione, la produzione, l'uso e la manutenzione delle batterie al litio. Nella fase di progettazione della batteria, i materiali appropriati devono essere selezionati e i parametri di processo ottimizzati per ridurre la resistenza interna della batteria. Durante l'uso della batteria, la batteria dovrebbe essere tenuta lontana da ambienti di utilizzo aspri, come temperature elevate, basse temperature e elevata umidità, e la tariffa di ricarica e scarica della batteria dovrebbe essere ragionevolmente controllata per estendere la durata della batteria e garantire la sicurezza della batteria. Allo stesso tempo, per le batterie che hanno già sperimentato un corto circuito, è necessario effettuare un trattamento tempestivo per evitare di innescare problemi di sicurezza più gravi. La ricerca futura dovrebbe approfondire ulteriormente il meccanismo di aumento della resistenza interna delle batterie al litio durante i cortometraggi e sviluppare tecnologie di gestione e protezione delle batterie più efficaci per migliorare le prestazioni e la sicurezza della batteria al litio.