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Visión general del envejecimiento de las baterías de litio
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Visión general del envejecimiento de las baterías de litio
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La vida útil de las baterías de litio siempre ha sido uno de los parámetros más importantes para los compradores de vehículos eléctricos. Cómo envejece una batería de litio?
El envejecimiento siempre aparece junto con el fallo, pero para ser precisos, el envejecimiento y el fallo son dos conceptos. El envejecimiento, que se refiere al deterioro de los parámetros de rendimiento de la batería con el paso del tiempo, es un proceso cuantitativo, y los parámetros se refieren principalmente a la capacidad máxima disponible, la resistencia interna y la potencia de la batería. El fallo, es el proceso por el que la batería pierde completamente la capacidad de funcionamiento, relativamente corto en el tiempo, es un cambio cualitativo. La acumulación de envejecimiento es una causa importante de fracaso.
Factores que afectan al envejecimiento
La mejor temperatura de trabajo de la batería de potencia es de 15℃-35℃, pero en las aplicaciones diarias, es imposible satisfacer plenamente las necesidades de la batería, por lo tanto, el escenario más común que afecta al envejecimiento de la batería es la alta temperatura, la baja temperatura.
Además del entorno, los parámetros de funcionamiento de la batería también jugarán un papel en la aceleración o desaceleración del envejecimiento, por lo que la elección de los parámetros de carga y descarga de las células tiene un impacto significativo.
Bajo la acción de los factores externos enumerados anteriormente, los materiales de los electrodos de la batería y otras reacciones secundarias distintas de la carga y descarga normales se producen durante la reacción electroquímica, lo que conduce a la aparición del envejecimiento.
Proceso típico de envejecimiento
Los detalles específicos del proceso de envejecimiento están estrechamente relacionados con la elección de los materiales de los electrodos positivos y negativos, los electrolitos y el diafragma, por lo que este artículo explicará el proceso de envejecimiento en Ontario y no explicará en detalle los materiales específicos por el momento.
Envejecimiento a alta temperatura
De 50℃ a 60℃ es el límite superior del rango de temperatura de trabajo que pueden permitir las baterías de litio en general. Cuando la reacción electroquímica se lleva a cabo a una temperatura más alta, el electrolito es más activo y propenso a la reacción de descomposición, y los productos de descomposición se combinan con el material del cátodo, que es el consumo del material del cátodo; el material de la estructura del cátodo se corroe, la estructura de la red se derrumba debido a la falta de apoyo material suficiente, el espacio vacío para los iones de litio se reduce, y la capacidad del cátodo para acomodar los iones de litio disminuye, haciendo que la capacidad de la batería sufra pérdidas.
Al mismo tiempo, los productos reflejados por el material del cátodo, que vagan por el electrolito, pueden adherirse a la superficie de los electrodos positivo y negativo. La superficie del electrodo queda cubierta por sustancias que no pueden participar en el proceso de carga y descarga, lo que dificulta el buen desarrollo de los procesos electroquímicos y aumenta la resistencia interna de la pila.
El efecto del proceso de alta temperatura en el envejecimiento se produce principalmente en el electrodo positivo, y el efecto en el electrodo negativo representa un porcentaje relativamente pequeño.
Envejecimiento a baja temperatura
Cuando la temperatura ambiente es inferior a 0℃, el rendimiento de la batería de iones de litio empieza a verse significativamente afectado por la baja temperatura.La película SIE, una película de pasivación generada por la reacción entre el material del electrodo negativo y el electrolito en el proceso de formación del núcleo, tiene un efecto protector sobre el material del electrodo negativo.
El engrosamiento de la película SEI hace más difícil que los iones de litio atraviesen la capa de la película y lleguen al cátodo, lo que aumenta la resistencia interna de la célula cuando se combina con la reducción de la concentración de iones de litio conductores.
Cuando se carga a baja temperatura, especialmente cuando la corriente de carga es relativamente alta, se produce otra reacción lateral en el electrodo negativo: la precipitación del monómero de litio. A bajas temperaturas, la actividad de los iones de litio disminuye y apenas se carga, lo que hace que el exceso de iones de litio se reúna alrededor del electrodo negativo y no pueda atravesar la película SEI para llegar a la incrustación del electrodo negativo, y luego se deposite en la superficie del electrodo negativo, formando una capa de litio puro. Este proceso tiende a ocurrir durante la carga a una temperatura demasiado baja y es irreversible. Con la acumulación de ciclos de uso, los monolitos de litio también continúan acumulándose y las dendritas siguen creciendo, lo que hace que el riesgo de perforación del diafragma se acumule.
Las baterías de litio funcionan a bajas temperaturas, el problema de envejecimiento se produce principalmente en el electrodo negativo, la reacción del lado positivo también existe, pero el impacto no es significativo.
Carga y descarga de alta corriente
La descarga a una corriente que excede la capacidad de descarga de diseño, por un lado, el efecto térmico de la corriente, trayendo el aumento de la temperatura de la propia batería, los efectos secundarios del envejecimiento a alta temperatura se intensificaron gradualmente; por otro lado, la alta corriente trae un exceso de iones de litio que necesitan ser incrustados en el material del cátodo, causando un impacto en la estabilidad del material.
La descarga de alta corriente, el mismo problema de generación de calor y problemas de estabilidad de desincrustación del material del cátodo. Al mismo tiempo, se transportan demasiados iones de litio al electrodo negativo, superando la capacidad del mismo, haciendo que se produzca la deposición de monómeros de litio. No sólo se perderá la capacidad, sino que también aumenta el riesgo de fuga térmica del uso a largo plazo, el daño es más grave.
Carga y descarga por sobretensión y subtensión
La carga de sobretensión y la descarga de baja tensión provocarán el cambio de fase del material del cátodo, lo que reducirá el espacio vacío para alojar los iones de litio y afectará a la capacidad máxima disponible de la célula.
Autodescarga
La autodescarga de la célula de la batería se produce en cualquier momento y en cualquier lugar, y el proceso de autodescarga es más significativo cuando la temperatura es más alta y el nivel de carga es mayor. El proceso de autodescarga conlleva una pérdida conjunta de la capacidad reversible e irreversible de la pila. Los productos de la autodescarga, adheridos a la superficie del electrodo, bloquean los canales de iones de litio y reducen la posición de incrustación de los iones de litio, lo que a su vez conlleva una pérdida permanente de la capacidad de la pila.
Envejecimiento del módulo
La batería de iones de litio se conecta en serie y en paralelo para formar un módulo, y el envejecimiento del módulo se ve directamente afectado por el envejecimiento de la célula individual. Además, el envejecimiento de los núcleos conlleva el deterioro de la consistencia entre los núcleos, lo que hace que el envejecimiento de los módulos se amplifique en función del envejecimiento de los núcleos.
Además de la influencia del envejecimiento de los núcleos, el módulo también se verá afectado por la vibración y la oxidación, así como por la corrosión de las piezas conductoras, lo que profundizará el grado de envejecimiento. Entre el núcleo interno del módulo y la barra de cobre, y entre la barra de cobre y los terminales del módulo se mantienen en estrecho contacto mediante soldadura o conexión por tornillo para garantizar que la resistencia esté dentro de un rango razonable. El aumento de la resistencia de conexión provocado por las vibraciones y la oxidación hace que la situación de la distribución de la resistencia en el interior del módulo cambie. Estos cambios pueden afectar a los resultados de detección de la tensión de la célula, lo que a su vez afecta al proceso de carga/descarga y ecualización de la misma.
El duro entorno y los parámetros de trabajo sobrecargados hacen que el proceso de envejecimiento sea más significativo y más fácil de observar por los investigadores. De hecho, el proceso de envejecimiento se produce de forma silenciosa. Hay dos tiempos de vida para las células, la vida de calendario y la vida de ciclo. Por el nombre de vida calendario, podemos sentir el desvelo del envejecimiento. Por lo tanto, la investigación sobre los factores que influyen en el envejecimiento de los núcleos eléctricos sólo trata de reducir el envejecimiento acelerado provocado por las operaciones irregulares.