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Análisis del ciclo de vida de la batería de iones de litio

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Análisis del ciclo de vida de la batería de iones de litio

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Para la batería de iones de litio ideal, el balance de capacidad no cambiará en su ciclo, y la capacidad inicial en cada ciclo debería ser un valor determinado. En realidad, la situación es mucho más compleja. Cualquier reacción lateral que pueda iniciar o consumir iones de litio puede provocar el cambio del equilibrio de capacidad de la batería. Esto tendrá un grave impacto en el rendimiento del ciclo de la batería.

Hay muchos factores que afectan a la duración del ciclo de las baterías de iones de litio, pero la razón fundamental es que el número de iones de litio que participan en la transferencia de energía es cada vez menor. Hay que tener en cuenta que la cantidad total de litio en la batería no se ha reducido, pero hay menos iones de litio "activados". Están confinados en otros lugares o el canal activo está bloqueado y no pueden participar libremente en el proceso de carga y descarga cíclica.

Entonces, si averiguamos adónde han ido a parar estos iones de litio que deberían haber participado en la reacción redox, podremos averiguar el mecanismo de disminución de la capacidad y tomar medidas específicas para retrasar la tendencia a la disminución de la capacidad de las baterías de iones de litio y mejorar la vida útil del ciclo de las mismas.

1. Deposición de litio metálico

A través de la descomposición anterior, sabemos que el litio no debe existir en forma de metal de litio en las baterías de iones de litio. Los elementos de litio existen en forma de óxidos metálicos, compuestos de carbono-litio o iones.

En la superficie del electrodo negativo, el litio metálico es fácil de depositar. Por determinadas razones, cuando los iones de litio migran a la superficie del electrodo negativo, algunos iones de litio no entran en el material activo del electrodo negativo para formar compuestos estables, sino que se depositan en la superficie del electrodo negativo para convertirse en litio metálico después de obtener electrones, y ya no participan en el proceso del ciclo posterior, lo que provoca una disminución de la capacidad.

Esta situación se produce generalmente por varias razones: la carga supera la tensión de corte; la carga a alta velocidad; la insuficiencia de material negativo. Cuando se sobrecarga o el material del cátodo es insuficiente, el cátodo no puede acomodar los iones de litio migrados desde el cátodo, dando lugar a la deposición de litio metálico. Durante la carga a alta velocidad, la cantidad de iones de litio que llegan al electrodo negativo en poco tiempo es demasiado grande, lo que provoca el bloqueo y la deposición.

La deposición de litio metálico no sólo reducirá la vida del ciclo, sino que también provocará un cortocircuito positivo y negativo, lo que dará lugar a graves problemas de seguridad.

Para hacer frente a este problema, debemos mezclar razonablemente los materiales positivos y negativos, y limitar estrictamente las condiciones de servicio de las baterías de iones de litio para evitar que se supere el límite de servicio. Por supuesto, a partir del rendimiento del aumento, la vida útil del ciclo también puede mejorarse localmente.

2. Análisis de los materiales del cátodo

Aunque los óxidos metálicos que contienen litio como materiales catódicos tienen suficiente estabilidad, seguirán siendo analizados en el proceso de uso a largo plazo, y brotarán algunas sustancias electroquímicas inertes (como Co3O4, Mn2O3, etc.) y algunos gases combustibles, que destruirán el equilibrio de capacidad entre los electrodos y causarán una pérdida irreversible de capacidad.

Esta situación es especialmente evidente en caso de sobrecarga, y a veces incluso se producirán análisis violentos y desprendimiento de gases, que no sólo afectarán a la capacidad de la batería, sino que también provocarán graves riesgos de seguridad.

Además de limitar estrictamente la tensión de corte de carga de la batería, la mejora de la estabilidad química y térmica del material del cátodo es también una forma factible de reducir la tasa de disminución de la vida útil del ciclo.

3. Película SEI en la superficie del electrodo

Como se ha mencionado anteriormente, en las baterías de iones de litio con material de carbono como electrodo negativo, durante el ciclo inicial, el electrolito formará una capa de electrolito sólido (SEI) en la superficie del electrodo. Los distintos materiales del electrodo negativo tendrán ciertas diferencias, pero los componentes de la película SEI se componen principalmente de carbonato de litio, éster alquílico de litio, hidróxido de litio, etc. Por supuesto, también hay productos de análisis de sales, así como algunos polímeros.

El proceso de formación de la membrana SEI consumirá iones de litio en la batería, y la membrana SEI no es estable. Seguirá rompiéndose durante el ciclo, exponiendo nuevas superficies de carbono, y luego reaccionará con los electrolitos para formar una nueva membrana SEI, lo que seguirá provocando la pérdida continua de iones de litio y electrolitos, lo que provocará la disminución de la capacidad de la batería. La película SEI tiene un determinado grosor. Aunque los iones de litio pueden penetrar, la película SEI bloqueará algunos canales de difusión en la superficie del electrodo negativo, lo que no favorece la difusión de los iones de litio en el material del electrodo negativo, lo que también reducirá la capacidad de la batería.

4. Influencia del electrolito

En el proceso de circulación continua, el electrolito se analizará y volatilizará continuamente debido a las limitaciones de la estabilidad química y la estabilidad térmica, que se acumulará durante mucho tiempo, lo que dará lugar a la reducción de la cantidad total de electrolito, la infiltración insuficiente de materiales positivos y negativos, la reacción de carga y descarga incompleta, lo que dará lugar a la disminución de la capacidad de uso real.

Debido a que el potencial de oxidación de las impurezas es generalmente inferior al potencial positivo de la batería de iones de litio, es fácil que se oxide en la superficie positiva, y el óxido se reduce en el electrodo negativo, consumiendo continuamente las sustancias activas positivas y negativas, provocando la autodescarga, es decir, cambiando la descarga de la batería bajo un uso anormal.

El electrolito también contiene una cierta cantidad de agua, que reaccionará con lifp6 en el electrolito para procesar LIF y HF. A continuación, el HF destruirá la membrana SEI y generará más LIF, lo que provocará la deposición de LiF, el consumo continuo de iones de litio activos y la disminución de la vida útil de la batería.

De la descomposición anterior se desprende que el electrolito tiene un impacto muy importante en la vida del ciclo de la batería de iones de litio. La selección de un electrolito adecuado mejorará claramente la vida útil de la batería.

5. Caída de materiales positivos y negativos

Las sustancias activas de los electrodos positivos y negativos se fijan en el sustrato a través del adhesivo. En el proceso de uso a largo plazo, debido al fallo del adhesivo y a la vibración mecánica de la batería, las sustancias activas de los electrodos positivos y negativos siguen desprendiéndose y entrando en la solución electrolítica, lo que conduce a la reducción continua de las sustancias activas que pueden participar en la reacción electroquímica y a la disminución continua de la vida útil de la batería.

6. Factores de uso externo

Las baterías de iones de litio tienen unas condiciones y rangos de servicio razonables, como el voltaje de corte de descarga de la carga, el ratio de descarga de la carga, el rango de temperatura de trabajo, el rango de temperatura de almacenamiento, etc. Sin embargo, en el uso real, el abuso más allá del alcance permitido es muy común. El uso irrazonable a largo plazo provocará una reacción química irreversible en el interior de la batería, dañará el mecanismo de la misma, acelerará su envejecimiento y provocará una rápida disminución de su vida útil. En condiciones graves, también provocará accidentes de seguridad.

7. Seguridad de la batería de iones de litio

La razón interna del problema de seguridad de la batería de iones de litio es que el calor dentro de la batería está fuera de control y el calor se acumula continuamente, lo que resulta en el aumento continuo de la temperatura interna de la batería, y su rendimiento externo es el fenómeno de liberación violenta de energía como la combustión y la explosión.

La batería es un portador de energía de alta densidad. En esencia, hay factores inseguros. Cuanto mayor sea la densidad de energía, mayor será el impacto de la liberación violenta de energía y más destacado será el problema de seguridad. La gasolina, el gas natural, el acetileno y otros portadores de alta energía también tienen los mismos problemas. Cada año se producen innumerables accidentes de seguridad.

Los distintos sistemas electroquímicos, las diferentes capacidades, los parámetros de proceso, el entorno de uso y el grado de utilización tienen un gran impacto en la seguridad de las baterías de iones de litio.

Como la batería almacena energía, en el proceso de liberación de energía, cuando la velocidad de iniciación y acumulación de calor de la batería es mayor que la velocidad de disipación de calor, la temperatura interna de la batería seguirá aumentando. Las baterías de iones de litio se componen de materiales catódicos muy activos y de un electrolito orgánico. En condiciones de calentamiento, son muy propensas a sufrir violentas reacciones químicas secundarias. Esta reacción generará mucho calor e incluso conducirá a un "calor fuera de control", que es una razón importante para los peligrosos accidentes de las baterías.