Visión general del envejecimiento de las baterías de litio

Visión general del envejecimiento de las baterías de litio

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, envejecimiento y 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 de la batería pierde completamente la capacidad de trabajo, relativamente corto en el tiempo, es un cambio cualitativo. La acumulación de envejecimiento es una causa importante de fallo.

Factores que afectan al envejecimiento

La mejor temperatura de trabajo de la batería de alimentación 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, baja temperatura.

Además del entorno, los parámetros de funcionamiento de la batería también desempeñarán un papel en la aceleración o desaceleración del envejecimiento, por lo que la elección de los parámetros de carga y descarga de las celdas 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 positivo y negativo, los electrolitos y el diafragma, por lo que este artículo explicará el proceso de envejecimiento en Ontario y no explicará en detalle materiales específicos por el momento.

Envejecimiento a alta temperatura

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 reticular se derrumba debido a la falta de suficiente soporte material, el espacio vacío para los iones de litio se reduce, y la capacidad del cátodo para acomodar 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 sobre el envejecimiento se produce principalmente en el electrodo positivo, y el efecto sobre 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 ión-litio empieza a verse afectado significativamente 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 dificulta 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 concentración reducida de iones de litio conductores.

Cuando se carga a baja temperatura, especialmente cuando la corriente de carga es relativamente alta, se produce otra reacción secundaria en el electrodo negativo: la precipitación de monómero de litio. A bajas temperaturas, la actividad de los iones de litio disminuye y apenas se carga, lo que provoca que el exceso de iones de litio se reúna alrededor del electrodo negativo y no pueda atravesar la película SEI para alcanzar la incrustación del electrodo negativo y, a continuación, 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 siguen acumulándose y las dendritas siguen creciendo, por lo que el riesgo de perforación del diafragma es acumulativo.

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 a alta corriente

La descarga a una corriente superior a la capacidad de descarga de diseño, por un lado, el efecto térmico de la corriente, haciendo que la propia temperatura de la batería aumente, los efectos secundarios del envejecimiento a alta temperatura se intensifican gradualmente; por otro lado, la alta corriente trae un exceso de iones de litio que necesitan incrustarse en el material del cátodo, causando un impacto en la estabilidad del material.

Descarga de alta corriente, el mismo problema de generación de calor y problemas de estabilidad de desincrustación del material del cátodo. Al mismo tiempo, demasiados iones de litio son transportados al electrodo negativo, excediendo la capacidad del electrodo negativo, haciendo que se produzca la deposición de monómeros de litio. No sólo se perderá capacidad, sino que también aumenta el riesgo de desbocamiento térmico del uso a largo plazo, el daño es más grave.

Carga y descarga por sobretensión y subtensión

La carga por sobretensión y la descarga por subtensión provocarán el cambio de fase del material del cátodo, lo que reducirá el espacio vacío para alojar 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 provoca 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 ión-litio y reducen la posición de incrustación del ión-litio, lo que a su vez conlleva una pérdida permanente de 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 sobre la base 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, y 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 atornillada para garantizar que la resistencia se encuentre dentro de un rango razonable. El aumento de la resistencia de conexión provocado por la vibración y la oxidación hace que cambie la situación de distribución de la resistencia en el interior del módulo. 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 célula.

El entorno hostil y los parámetros de trabajo sobrecargados hacen que el proceso de envejecimiento sea más significativo y fácil de observar por los investigadores. De hecho, el proceso de envejecimiento se produce de forma silenciosa. Las células tienen dos vidas: la vida de calendario y la vida de ciclo. Por el nombre de vida calendario, podemos sentir el insomnio 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.