Який негативний вплив має недостатня кількість електроліту на літієві батареї?

Будучи основним середовищем для транспортування літій{0}}іонів всередині батареї, електроліт відіграє вирішальну роль як «іонний провідник», «захисник межі електродів» і «міст для перенесення заряду». Його кількість має точно відповідати розміру електрода батареї, пористості та об’єму інкапсуляції, щоб забезпечити достатнє зволоження активних матеріалів електрода та безперешкодні шляхи транспортування літій-іонів. Недостатня кількість електроліту (у промисловості це називається «під-електроліт») — це не просто проблема недостатнього середовища; це порушує внутрішній електрохімічний баланс батареї, запускаючи низку ланцюгових реакцій, що призводять до погіршення продуктивності та порушення безпеки. Більшість цих пошкоджень є незворотними, що серйозно впливає на термін служби та безпеку батареї. Наступний аналіз, заснований на фактичних принципах роботи акумуляторів, детально описує його конкретні негативні впливи та основні механізми.

Щоб полегшити чітке розуміння, давайте спочатку уточнимо основну передумову: основна функція електроліту полягає в розчиненні солей літію (таких як LiPF6, LiFSI тощо), забезпечуючи вільний рух іонів літію, одночасно змочуючи активні матеріали позитивного та негативного електродів (таких як потрійні матеріали, фосфат літію, заліза, графіт тощо) і сепаратор, конструюючи стабільний інтерфейс електрод/електроліт (плівка SEI, плівка CEI), що забезпечує ефективний і стабільний транспорт іонів літію між позитивним і негативним електродами.

Найбільш прямий і інтуїтивно зрозумілий вплив недостатнього електроліту полягає в тому, що фактична розрядна ємність батареї значно нижча за проектну ємність, і це зниження ємності є незворотним, постійно погіршуючись зі збільшенням кількості циклів. Основний механізм полягає в тому, що активні матеріали позитивного та негативного електродів не можуть бути повністю змочені електролітом; лише невелика кількість поверхнево-активного матеріалу може брати участь у реакції введення/вилучення іонів літію, тоді як велика кількість внутрішнього активного матеріалу залишається «неактивним» і не може проявляти електрохімічну активність.

Зі структурної точки зору як позитивний, так і негативний електроди є пористими (із пористістю зазвичай від 30% до 50%). Електроліт повинен повністю заповнити ці пори, щоб дозволити іонам літію контактувати з кожною активною частинкою. Якщо електроліту недостатньо, безперервна фаза електроліту не може утворюватися в порах, і іони літію можуть переміщатися лише в межах обмеженої ділянки на поверхні електрода. Це значно зменшує кількість іонів літію, які беруть участь в електрохімічній реакції, запобігаючи вивільненню повної проектної ємності під час розряду.

Крім того, у стані низького-електроліту під час першого заряду деякі незмочені активні матеріали не можуть утворити стабільну міжфазну плівку. Навіть із подальшим поповненням електроліту ці активні матеріали навряд чи відновлять активність, що призведе до незворотного зниження ємності та запобігання відновленню до проектного значення через цикли зарядки.

ACEY-BCT560-64PТестер ємності літієвої батареїє ідеальним рішенням для тестування та оцінки продуктивності літій-іонних акумуляторів. Це-сучасне--обладнання має передову технологію для точного вимірювання та аналізу різних параметрів, зокрема напруги, струму, температури тощо.

Внутрішній опір літієвої батареї в основному складається з трьох частин: омічного опору, опору передачі заряду та опору дифузії. Недостатня кількість електроліту призводить до значного збільшення двох останніх, що зрештою спричиняє різке зростання загального внутрішнього опору батареї, що, у свою чергу, впливає на ефективність заряду/розряду та продуктивність.

З одного боку, підвищений опір перенесенню заряду: опір перенесенню заряду в основному виникає на межі електрод/електроліт, покладаючись на стабільну міжфазну плівку та достатню кількість електроліту для перенесення заряду. Коли електроліту недостатньо, поверхня електрода недостатньо змочується, і міжфазні плівки (плівка SEI, плівка CEI) не можуть бути рівномірно покриті. Стійкість до введення/вилучення іонів літію на поверхні електрода збільшується, уповільнюючи перенесення заряду та викликаючи експоненціальне зростання опору передачі заряду. З іншого боку, підвищений опір дифузії: Швидкість дифузії іонів літію в електроліті безпосередньо залежить від безперервності та концентрації електроліту. Недостатня кількість електроліту призводить до нерівномірної концентрації електроліту, при цьому деякі ділянки навіть стають порожніми ділянками, які не містять-електроліт. Шлях дифузії іонів літію блокується, відстань дифузії стає довшою, а опір дифузії значно зростає.

Ефективність циклу є основним показником терміну служби літієвої батареї, що стосується здатності батареї підтримувати стабільну ємність під час повторних циклів заряджання-розряджання. Недостатня кількість електроліту призводить до різкого погіршення продуктивності циклу та схильна до аномальних явищ, таких як раптове та значне падіння ємності після одного циклу. По суті, це порочне коло, викликане підвищеним внутрішнім опором.

Як згадувалося раніше, недостатня кількість електроліту призводить до збільшення внутрішнього опору. Основним наслідком збільшення внутрішнього опору є посилене локальне нагрівання під час заряджання та розряджання батареї (згідно із законом Джоуля Q=I²Rt, при постійному струмі вищий внутрішній опір призводить до більшого виділення тепла). Місцеве перегрівання прискорює розкладання електроліту-за високих температур, електроліт піддається окислювально-відновним реакціям, утворюючи такі гази, як CO₂ і HF, а також інертні речовини, що додатково споживає залишки електроліту та призводить до ще більшої недостатності електроліту. Одночасно високі температури також пошкоджують стабільну плівку на межі електрод/електроліт (плівка SEI розірветься та відновиться). Розірвана плівка SEI знову споживатиме іони літію та електроліт, щоб відновитися, ще більше збільшуючи опір передачі заряду.

Цей порочний цикл «низький рівень електроліту → підвищений внутрішній опір → локальне нагрівання → розкладання електроліту → підвищений низький рівень електроліту» призводить до того, що ємність батареї постійно знижується під час роботи, і швидкість зниження прискорюється. Коли кількість циклів досягає певного рівня, міжфазна плівка повністю виходить з ладу або електроліт вичерпується, відбувається значне падіння ємності. Крім того, низький рівень електроліту також призводить до поганої стабільності ємності під час циклічної роботи акумулятора. У багато-бакумуляторній батареї серії клітини з низьким рівнем електроліту спочатку знижуються, таким чином знижуючи продуктивність і термін служби всієї батареї.

Вироблення тепла, спричинене недостатньою кількістю електроліту, є критичним зв’язком між погіршенням продуктивності та порушенням безпеки. Вироблення тепла в основному відбувається з двох джерел, які мають кумулятивний ефект, що призводить до аномально високої температури батареї та створює потенційний ранній ризик перегріву.

• Каталітичне утворення тепла за рахунок внутрішнього опору

Як згадувалося раніше, недостатня кількість електроліту призводить до різкого збільшення внутрішнього опору, значно збільшуючи джоулеву теплоту, що виділяється під час заряду та розряду. Крім того, через недостатню кількість електроліту його власна здатність до розсіювання тепла також зменшується (електроліт також виконує певну функцію розсіювання тепла, проводячи тепло, що виділяється електродами, до корпусу батареї).

• Ненормальне реакційне теплоутворення

Недостатня кількість електроліту спричиняє нестабільність плівки розділу електродів, що робить її схильною до побічних реакцій. Це проявляється у значному підвищенні температури корпусу батареї під час заряджання та розряджання (звичайні температури заряджання та розряджання зазвичай становлять 20-45 градусів, але батареї з недостатньою кількістю електроліту можуть перевищувати 50 градусів), особливо помітне під час заряджання, іноді навіть стаючи «гарячими на дотик». Якщо батарея заряджається та розряджається з високою швидкістю, виділення тепла ще більше посилиться, потенційно перевищуючи температуру розкладання електроліту (зазвичай вище 60 градусів), прискорюючи розкладання електроліту та старіння електродів, створюючи потенційну загрозу безпеці для наступних несправностей. Крім того, тривале виділення тепла може призвести до деформації корпусу батареї та старіння герметика, потенційно спричиняючи витік електроліту та подальше погіршення стану батареї.

ACEY-BCT506-512Hобладнання для перевірки заряду акумуляторавикористовує сучасні електронні пристрої моніторингу та керування замість ручної роботи для моніторингу-напруги, струму, ємності, енергії, стану формування та інших параметрів формування розподіленої батареї в режимі реального часу, діагностики та обробки несправностей, запису та аналізу відповідних даних, щоб реалізувати автоматичну та пакетну обробку в процесі формування, програмне забезпечення комп’ютерного керування для централізованого моніторингу та обслуговування обладнання.

Це найсерйозніший негативний вплив недостатньої кількості електроліту, який безпосередньо впливає на безпеку батареї та є одним із основних видів несправності акумуляторів із недостатнім-електролітом. Основною причиною літієвого покриття є: недостатня кількість електроліту призводить до поганого локального змочування негативного електрода, що призводить до нерівномірного формування плівки SEI. Іони літію не можуть належним чином вставлятися між шарами графіту й можуть лише відкладати металевий літій на поверхні негативного електрода (тобто «літієве покриття»), викликаючи прямий контакт між позитивним і негативним електродами всередині акумулятора, викликаючи внутрішнє коротке замикання.

Внутрішнє коротке замикання миттєво генерує велику кількість тепла, що призводить до різкого підвищення температури батареї (миттєво перевищує 100 градусів), що призводить до перегріву. Високі температури викликають бурхливе розкладання електроліту з утворенням великої кількості легкозаймистих і вибухонебезпечних газів (таких як CO і CH4). Внутрішній тиск батареї різко зростає, що зрештою призводить до розриву корпусу батареї та витоку. Якщо газ вступає в контакт з повітрям або якщо внутрішня температура досягає температури займання електроліту або електродних матеріалів, він може спалахнути або навіть вибухнути. Крім того, навіть без внутрішнього короткого замикання металевий літій, що відкладається, реагує з електролітом, споживаючи електроліт та іони літію, що ще більше прискорює погіршення продуктивності батареї та загрозу безпеці. Під час розбирання батареї з дуже недостатньою кількістю електроліту металеві відкладення літію можна навіть спостерігати безпосередньо на поверхні негативного електрода, і він схильний до займання.

Недостатня кількість електроліту в літієвих батареях не є «незначним дефектом», а скоріше спричиняє необоротне пошкодження батареї зсередини, що впливає на продуктивність, термін служби та безпеку. Його вплив демонструє характерну «ланцюгову реакцію»: недостатня кількість електроліту → недостатнє змочування → утруднене транспортування іонів літію → підвищений внутрішній опір → збільшення виділення тепла → розкладання електроліту → погіршення недостатнього електроліту → відкладення літію → внутрішнє коротке замикання → пожежа та вибух. Під час фактичного виробництва та використання кількість використовуваного електроліту має суворо контролюватись, як правило, точно розраховуватися на основі таких параметрів, як пористість електродів та об’єм батареї, щоб уникнути проблем із недостатнім електролітом.

Якщо батарея демонструє значне зменшення радіусу дії (зниження ємності понад 20%), ненормальне нагрівання під час заряджання та розряджання, надмірно високу напругу заряджання, надмірно низьку напругу розряду або різке падіння ємності під час циклічної роботи, це може свідчити про недостатню кількість електроліту. Своєчасна перевірка та технічне обслуговування мають вирішальне значення для запобігання подальшому пошкодженню батареї або інцидентам із безпекою. Для великих акумуляторних блоків, таких як силові батареї та батареї накопичувачів енергії, недостатня кількість електроліту також може вплинути на стабільність усієї системи, що вимагає зосередженої уваги та профілактики.

Зв'язатися зараз