Какое негативное влияние оказывает недостаточное количество электролита на литиевые батареи?

В качестве основной среды для переноса ионов лития- внутри батареи электролит играет решающую роль как «проводник ионов», «защита интерфейса электродов» и «мост для переноса заряда». Его количество должно строго соответствовать размеру электрода, пористости и объему инкапсуляции аккумулятора, чтобы обеспечить достаточное смачивание активных материалов электрода и беспрепятственный транспорт ионов лития. Недостаток электролита (называемый в промышленности «недостаточным-электролитом») — это не просто недостаток среды; он нарушает внутренний электрохимический баланс батареи, вызывая серию цепных реакций, приводящих к снижению производительности и нарушению безопасности. Большая часть этих повреждений необратимы и серьезно влияют на срок службы и безопасность аккумулятора. Следующий анализ, основанный на реальных принципах работы аккумуляторов, подробно описывает их конкретные негативные последствия и основные механизмы.

Чтобы облегчить понимание, давайте сначала проясним основную предпосылку: основная функция электролита заключается в растворении солей лития (таких как LiPF6, LiFSI и т. д.), обеспечивая свободное перемещение ионов лития, одновременно смачивая активные материалы положительного и отрицательного электрода (такие как тройные материалы, литий-железофосфат, графит и т. д.) и сепаратор, создавая стабильную границу раздела электрод/электролит (пленка SEI, пленка CEI), обеспечивая эффективный и стабильный транспорт ионов лития между положительными и отрицательные электроды.

Наиболее прямым и понятным следствием недостаточного количества электролита является то, что фактическая разрядная емкость аккумулятора значительно ниже расчетной, и это снижение емкости является необратимым и постоянно ухудшается с увеличением количества циклов. Основной механизм заключается в том, что активные материалы положительного и отрицательного электрода не могут быть полностью смочены электролитом; только небольшое количество поверхностно-активного материала может участвовать в реакции внедрения/экстракции ионов лития, в то время как большое количество внутреннего активного материала остается «бездействующим» и не может проявлять электрохимическую активность.

С структурной точки зрения как положительные, так и отрицательные электроды являются пористыми (обычно с пористостью от 30% до 50%). Электролит должен полностью заполнить эти поры, чтобы ионы лития могли контактировать с каждой активной частицей. Если электролита недостаточно, непрерывная фаза электролита не может образоваться внутри пор, и ионы лития могут перемещаться только в пределах ограниченной области на поверхности электрода. Это существенно снижает количество ионов лития, участвующих в электрохимической реакции, предотвращая выход полной проектной емкости при разряде.

Более того, в состоянии с низким-электролитом во время первой зарядки некоторые несмачиваемые активные материалы не могут образовывать стабильную межфазную пленку. Даже при последующем пополнении электролита эти активные материалы вряд ли восстановят активность, что приведет к необратимому снижению емкости и предотвратит восстановление до расчетного значения в ходе циклов зарядки.

ACEY-BCT560-64PТестер емкости литиевой батареи – идеальное решение для тестирования и оценки производительности литий-ионных-батарей. Это современное---современное оборудование оснащено передовыми технологиями для точного измерения и анализа различных параметров, включая напряжение, ток, температуру и многое другое.

Внутреннее сопротивление литиевой батареи в основном состоит из трех частей: омического сопротивления, сопротивления передачи заряда и сопротивления диффузии. Недостаток электролита приводит к значительному увеличению последних двух, что в конечном итоге приводит к резкому увеличению общего внутреннего сопротивления батареи, что, в свою очередь, влияет на эффективность заряда/разряда и выходные характеристики.

С одной стороны, повышенное сопротивление переносу заряда: сопротивление переносу заряда в основном возникает на границе раздела электрод/электролит, что зависит от стабильной межфазной пленки и достаточного количества электролита для переноса заряда. Когда электролита недостаточно, поверхность электрода не смачивается должным образом, и межфазные пленки (пленка SEI, пленка CEI) не могут быть покрыты равномерно. Сопротивление внедрению/извлечению ионов лития на поверхность электрода увеличивается, замедляя перенос заряда и вызывая экспоненциальное увеличение сопротивления переносу заряда. С другой стороны, повышенное диффузионное сопротивление: скорость диффузии ионов лития в электролите напрямую связана с непрерывностью и концентрацией электролита. Недостаточное количество электролита приводит к неравномерной концентрации электролита, при этом некоторые области даже становятся пустыми участками,-без электролита. Путь диффузии ионов лития блокируется, диффузионное расстояние становится длиннее, а сопротивление диффузии значительно увеличивается.

Циклическая производительность — это основной показатель срока службы литиевой батареи, характеризующий способность батареи сохранять стабильную емкость во время повторяющихся циклов зарядки-разрядки. Недостаток электролита приводит к резкому ухудшению производительности цикла и склонен к аномальным явлениям, таким как внезапное и значительное падение емкости после одного цикла. По сути, это порочный круг, вызванный возросшим внутренним сопротивлением.

Как упоминалось ранее, недостаточное количество электролита приводит к увеличению внутреннего сопротивления. Основным следствием повышенного внутреннего сопротивления является усиленный локальный нагрев во время зарядки и разрядки аккумулятора (согласно закону Джоуля Q=I²Rt, при постоянном токе более высокое внутреннее сопротивление приводит к большему выделению тепла). Локальный перегрев ускоряет разложение электролита-при высоких температурах электролит подвергается окислительно-восстановительным реакциям, в результате чего образуются газы, такие как CO₂ и HF, а также инертные вещества, что еще больше потребляет оставшийся электролит и приводит к еще большему дефициту электролита. Одновременно высокие температуры также повреждают стабильную пленку на границе раздела электрод/электролит (пленка SEI разрывается и восстанавливается). Разорванная пленка SEI снова потребляет ионы лития и электролит для восстановления, что еще больше увеличивает сопротивление переносу заряда.

Этот порочный круг «низкий уровень электролита → повышенное внутреннее сопротивление → локальный нагрев → разложение электролита → усугубление низкого уровня электролита» приводит к тому, что емкость аккумулятора постоянно снижается во время езды на велосипеде, и скорость снижения увеличивается. Когда количество циклов достигает определенного уровня, межфазная пленка полностью выходит из строя или исчерпается электролит, происходит значительное падение емкости. Кроме того, низкий уровень электролита также приводит к плохой стабильности емкости во время циклической работы батареи. В аккумуляторной батарее с несколькими-элементами первыми выходят из строя элементы с низким уровнем электролита, что снижает производительность и срок службы всей аккумуляторной батареи.

Выделение тепла, вызванное недостатком электролита, является важнейшим связующим звеном между ухудшением производительности и нарушением безопасности. Выделение тепла в основном происходит из двух источников, которые имеют кумулятивный эффект, приводя к аномально высокой температуре батареи и создавая потенциальный ранний риск температурного выхода из-под контроля.

• Каталитическое тепловыделение за счет внутреннего сопротивления

Как упоминалось ранее, недостаточное количество электролита приводит к резкому увеличению внутреннего сопротивления, значительно увеличивая джоулево тепло, выделяемое при заряде и разряде. Кроме того, из-за недостаточного количества электролита снижается и его собственная теплоотводящая способность (электролит также выполняет определенную теплоотводящую функцию, отводя выделяемое электродами тепло к корпусу аккумулятора).

• Аномальное выделение тепла в результате реакции

Недостаточное количество электролита вызывает нестабильность пленки интерфейса электродов, что делает ее склонной к побочным реакциям. Это проявляется в значительном повышении температуры корпуса аккумулятора во время заряда и разряда (нормальная температура заряда и разряда обычно составляет 20-45 градусов, но при недостаточном электролите батареи могут подниматься выше 50 градусов), особенно заметно во время зарядки, иногда даже становясь «горячим на ощупь». Если аккумулятор подвергается высокоскоростной зарядке и разрядке, выделение тепла будет еще больше усиливаться, потенциально превышая температуру разложения электролита (обычно выше 60 градусов), ускоряя разложение электролита и старение электрода, создавая потенциальную угрозу безопасности для последующих сбоев. Кроме того, длительное выделение тепла может привести к деформации корпуса аккумулятора и старению герметика, что может привести к утечке электролита и дальнейшему ухудшению состояния аккумулятора.

ACEY-BCT506-512Hоборудование для испытания заряда и разряда аккумулятораиспользует современные электронные устройства мониторинга и управления вместо ручной работы для мониторинга в реальном времени напряжения, тока, мощности, энергии, состояния формации и других параметров формирования распределенной батареи в режиме реального времени, диагностики и устранения неисправностей, записи и анализа соответствующих данных, чтобы реализовать автоматическую и пакетную обработку в процессе формирования, программное обеспечение компьютерного управления для централизованного мониторинга и обслуживания оборудования.

Это наиболее серьезное негативное воздействие недостаточного количества электролита, которое напрямую влияет на безопасность аккумуляторов и представляет собой один из основных видов отказа аккумуляторов с недостаточным-электролитом. Основная причина литиевого покрытия заключается в следующем: недостаточное количество электролита приводит к плохому локальному смачиванию отрицательного электрода, что приводит к неравномерному формированию пленки SEI. Ионы лития не могут должным образом внедриться между слоями графита и могут откладывать металлический литий только на поверхности отрицательного электрода (т. е. «литиевое покрытие»), вызывая прямой контакт между положительным и отрицательным электродами внутри батареи, вызывая внутреннее короткое замыкание.

Внутреннее короткое замыкание мгновенно генерирует большое количество тепла, вызывая резкое повышение температуры батареи (мгновенно превышая 100 градусов), что приводит к тепловому разгону. Высокие температуры вызывают бурное разложение электролита с образованием большого количества легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов (таких как CO и CH4). Внутреннее давление аккумулятора резко возрастает, что в конечном итоге приводит к разрыву корпуса аккумулятора и утечке. Если газ вступает в контакт с воздухом или если внутренняя температура достигает точки воспламенения электролита или материалов электродов, он может воспламениться или даже взорваться. Более того, даже без внутреннего короткого замыкания осажденный металлический литий вступит в реакцию с электролитом, потребляя как электролит, так и ионы лития, что еще больше ускоряет ухудшение характеристик батареи и создает угрозу безопасности. При разборке аккумулятора с крайне недостаточным количеством электролита отложения металлического лития можно наблюдать даже непосредственно на поверхности отрицательного электрода, и он склонен к возгоранию.

Недостаток электролита в литиевых батареях не является «незначительным дефектом», а скорее вызывает необратимое повреждение батареи изнутри, влияя на производительность, срок службы и безопасность. Его воздействие демонстрирует характеристику «цепной реакции»: недостаточное количество электролита → недостаточное смачивание → затрудненный транспорт ионов лития → повышенное внутреннее сопротивление → повышенное выделение тепла → разложение электролита → ухудшение недостаточного электролита → отложение лития → внутреннее короткое замыкание → пожар и взрыв. В реальном производстве и использовании количество используемого электролита должно строго контролироваться и обычно точно рассчитываться на основе таких параметров, как пористость электрода и объем батареи, чтобы избежать проблем с недостаточным электролитом.

Если аккумулятор демонстрирует значительное снижение запаса хода (снижение емкости более 20%), аномальный нагрев во время зарядки и разрядки, чрезмерно высокое напряжение зарядки, слишком низкое напряжение разряда или резкое падение емкости во время циклической работы, это может указывать на недостаток электролита. Своевременная проверка и техническое обслуживание имеют решающее значение для предотвращения дальнейшего повреждения батареи или инцидентов, связанных с безопасностью. В случае больших аккумуляторных блоков, таких как силовые батареи и аккумуляторные батареи, недостаток электролита также может повлиять на стабильность всей системы, что требует повышенного внимания и профилактики.

Свяжитесь сейчас