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

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

Para la batería de iones de litio ideal, el equilibrio 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 secundaria 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 intervienen en la transferencia de energía es cada vez menor. Hay que señalar 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 cíclicas.

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 de los ciclos de las baterías de iones de litio.

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 tras obtener electrones, y dejan de participar en el proceso del ciclo posterior, lo que provoca una disminución de la capacidad.

Esta situación suele deberse a varias razones: la carga supera la tensión de corte; la velocidad de carga es elevada; el material negativo es insuficiente. 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 útil del ciclo, sino que también provocará un cortocircuito positivo y negativo, dando 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, partiendo del rendimiento del aumento, también se puede mejorar localmente la vida útil del ciclo.

2. Análisis de los materiales del cátodo

Aunque los óxidos metálicos que contienen litio como materiales catódicos tienen suficiente estabilidad, seguirán analizándose 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 electrodos y causarán una pérdida irreversible de capacidad.

Esta situación es particularmente 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 causarán graves riesgos para la seguridad.

Además de limitar estrictamente la tensión de corte de carga de la batería, mejorar la estabilidad química y térmica del material del cátodo es también una forma factible de reducir la tasa de declive 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 película 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 están compuestos principalmente por 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. Continuará rompiéndose durante el ciclo, exponiendo nuevas superficies de carbono, y luego reaccionará con los electrolitos para formar una nueva membrana SEI, lo que continuará causando la pérdida continua de iones de litio y electrolitos, resultando en la disminución de la capacidad de la batería. La película SEI tiene un grosor determinado. 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 estabilidad química y estabilidad térmica, que se acumularán durante mucho tiempo, dando 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, dando lugar a la disminución de la capacidad de uso real.

Debido a que el potencial de oxidación de las impurezas es generalmente menor que el potencial positivo de la batería de iones de litio, es fácil oxidarse en la superficie positiva, y el óxido se reduce en el electrodo negativo, consumiendo continuamente 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 del ciclo 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 positivo y negativo se fijan al sustrato mediante el 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 positivo y negativo siguen desprendiéndose y entran en la solución electrolítica, lo que provoca la reducción continua de las sustancias activas que pueden participar en la reacción electroquímica y la disminución continua de la vida útil del ciclo 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 carga, el ratio de descarga de carga, el rango de temperatura de trabajo, el rango de temperatura de almacenamiento, etc. Sin embargo, en el uso real, el abuso más allá de lo 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 causará una rápida disminución de su vida útil. En condiciones graves, también causará 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 provoca el aumento continuo de la temperatura interna de la batería, y su rendimiento externo son los fenómenos violentos de liberación de energía, como la combustión y la explosión.

La batería es un portador de energía de alta densidad. En esencia, existen factores inseguros. Cuanto mayor es la densidad energética, mayor es el impacto de la liberación violenta de energía y más destacado es 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.

Dado que 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 altamente activos y electrolito orgánico. En condiciones de calentamiento, son muy propensas a reacciones químicas secundarias violentas. Esta reacción generará mucho calor e incluso dará lugar a un "calor fuera de control", que es una razón importante de los peligrosos accidentes de las baterías.