I. Úvod
Lítiové batérie ako dôležité zariadenie na skladovanie energie sa v modernej spoločnosti široko používajú, napríklad v elektrických vozidlách a prenosných elektronických zariadeniach. Línové batérie však môžu počas používania zaznamenať skraty, ktoré ovplyvňujú nielen výkon batérie, ale môžu tiež vyvolať vážne bezpečnostné problémy, ako sú požiare a výbuchy. Vnútorný odpor je jedným z kľúčových ukazovateľov na meranie výkonu lítiovej batérie. Zvýšenie vnútorného odporu vedie k zníženiu kapacity výbojov batérie, k zníženiu kapacity a skrátenej životnosti. Preto štúdium príčin zvýšenia vnútorného odporu v lítiových batériách počas skratov má dôležitý teoretický a praktický význam.
II. Zloženie vnútorného odporu lítiovej batérie
Vnútorný odpor lítiovej batérie pozostáva hlavne z ohmického odporu a polarizačného odporu. Ohmická rezistencia zahŕňa odpor samotných elektród, odpor roztoku elektrolytu, odpor, s ktorým sa vyskytujú ióny prechádzajúce cez mikropóry separátora a kontaktný odpor medzi pozitívnymi\/negatívnymi elektródami a separátorom. Polarizačný odpor je vodivý odpor tvorený v dôsledku polarizácie elektród počas nabíjania a vypúšťania batérie vrátane elektrochemickej polarizácie a polarizácie koncentrácie. Elektrochemická polarizácia je spôsobená pomalosťou elektródových reakcií, zatiaľ čo polarizácia koncentrácie je spôsobená zmenami v koncentrácii iónov v blízkosti povrchu elektród.
III. Analýza príčin zvýšenia vnútorného odporu v lítiových batériách počas skratových obvodov
I) príčiny koreňových príčin na úrovni materiálu
1. Degradácia pozitívnych a negatívnych aktívnych materiálov
Positive electrode materials (such as NCM, LFP) may experience a decrease in electronic conductivity due to the dissolution of transition metals or structural collapse. For example, during the long-term cycling of a battery, transition metal ions in the positive electrode material may dissolve into the electrolyte, leading to structural changes in the positive electrode material and a reduction in its electronic conductivity. Negative electrode graphite may increase lithium ion migration resistance due to the growth of lithium dendrites or an excessively thick SEI film (>100 nm). Rast lítiových dendritov môže prepichnúť separátor, čo spôsobuje skrat batérie, zatiaľ čo nadmerne hrubý film SEI môže brániť migrácii lítium iónov a zvýšiť vnútorný odpor batérie.
2. Problémy s starnutím a rozhrania
Produkty rozkladu elektrolytov (napríklad LIF, LI₂CO₃) sa akumulujú na povrchu elektród, čím sa vytvárajú vrstvu vysoko impedančného rozhrania. Pri podmienkach vysokej teploty alebo nadmerného nabíjania sa zvyšuje viskozita elektrolytu a znižuje sa účinnosť transportu lítium iónov. Napríklad, keď je batéria vo vysokoteplotnom prostredí, zvyšuje sa viskozita elektrolytu a rýchlosť migrácie lítiových iónov sa spomaľuje, čo vedie k zvýšeniu vnútorného odporu batérie.
3. Zhoršenie zberateľa a degradácie karty
Oxidácia alebo korózia fólie hliníka\/medi vedie k zvýšeniu kontaktnej odolnosti (bežné v prostrediach s vysokou špičkou). Virtuálne zváranie bodov zvárania TAB alebo únavy materiálu (napríklad za podmienok vibrácií) spôsobuje množenie miestneho odporu. Počas používania batérie môžu súčasný kolektor a TAP podstúpiť oxidáciu alebo koróziu v dôsledku environmentálnych faktorov, čo vedie k zvýšeniu kontaktného odporu. Zároveň môže virtuálne zváranie bodov zvárania TAB alebo únavy materiálu tiež zvýšiť miestny odpor.
Ii) Účinok superpozície defektov procesov
1.UNENVENOVÉ POLOŽKY ELEKTICKÝCH LISTOV
Kolísanie hustoty plošnej (± 5% alebo viac) vedie k nerovnomernému rozdeleniu prúdu a významnému zvýšeniu odporu lokálnej polarizácie. Ak je povlak elektródových listov nerovnomerný, bude mať za následok nerovnomerné rozdelenie prúdu vo vnútri batérie, pričom určité oblasti majú príliš vysokú hustotu prúdu, čím spôsobí zvýšenie odporu miestnej polarizácie.
2.Chyby v procesoch stohovania\/vinutia
Nesprávne zarovnanie elektródových listov vedie k kontaktu s okrajmi Burr, zvyšuje riziko mikroškrcích obvodov a dodatočnej impedancie. Počas výroby batérií, ak sa vyskytnú chyby v procese stohovania alebo vinutia, môže to spôsobiť nesprávne vyrovnanie elektródových listov, čo vedie k kontaktu s hranami, zvýšenie rizika mikroškrcích obvodov a dodatočnej impedancie.
3.Nedostatočné vstrekovanie elektrolytov a zmáčanie
Elektrolyt úplne neprenikne do separačných pórov (stupeň zmáčania <90%), blokujúcim iónové kanály. Ak elektrolyt úplne neprenikne do separačných pórov, blokuje iónové kanály, spomalí rýchlosť migrácie lítiových iónov a zvýši vnútorný odpor batérie.
Iii) Vplyv prostredia využívania a prevádzkových podmienok
1.Prostredie s nízkou teplotou
Iónová vodivosť elektrolytu sa znižuje o viac ako 50%a zvyšuje sa ohmická rezistencia a odpor polarizácie. V prostredí s nízkou teplotou sa iónová vodivosť elektrolytu významne znižuje, čo vedie k zvýšeniu ohmického odporu batérie a odporu polarizácie.
2.Nabíjanie a vypúšťanie vysokej rýchlosti
Zintenzívni sa polarizácia koncentrácie, napäťová platforma sa zrúti a účinný vnútorný odpor sa zvyšuje o 20% - 40%. Keď batéria podlieha vysokej rýchlosti nabíjania a vypúšťania, koncentrácia iónov v blízkosti povrchu elektród sa rýchlo zmení, čo vedie k intenzívnej polarizácii koncentrácie a zvýšeniu vnútorného odporu účinného batérie.
3.Dlhodobé cyklistické starnutie
Kumulatívne účinky, ako je aktívna strata lítia a zníženie pórovitosti elektród, vedú k ročnej miere rastu vnútorného odporu presahujúceho 5%. Počas dlhodobého cyklistického používania batérie sa aktívne lítium postupne vyčerpáva a tiež sa znižuje pórovitosť elektród. Tieto kumulatívne účinky vedú k ročnej miere rastu vnútornej rezistencie ako 5%.
(Iv) miestne prehriatie a štrukturálne poškodenie spôsobené skratkami
1. Lokálne prehriatie
Veľký prúd generovaný počas skratu vedie k prudkému zvýšeniu miestnej teploty vo vnútri batérie. Vysoké teploty urýchľujú degradáciu vnútorných materiálov batérie, ako je rozklad elektrolytov a zmeny v štruktúre materiálu elektród, čo ďalej zvyšuje vnútorný odpor. Napríklad, keď batéria zažije skrat, umiestnenie skratu generuje veľké množstvo tepla, čo spôsobuje zvýšenie miestnej teploty a rozklad elektrolytov, vytvára vrstvu vysoko impedančného rozhrania a zvyšuje vnútorný odpor batérie.
2. Štruktúrne poškodenie
Obrovský prúd a teplo generované počas skratu môžu viesť k poškodeniu konštrukcie vo vnútri batérie, ako je topenie separátora a deformácia materiálu elektród. Tieto štrukturálne škody priamo ovplyvňujú iónové a elektrónové transportné kanály batérie, čo vedie k výraznému zvýšeniu vnútorného odporu. Napríklad vysoká teplota generovaná počas skratu môže roztaviť separátor, čo spôsobí priamy kontakt medzi kladnými a negatívnymi elektródami, tvorí väčší skratový prúd a tiež poškodzuje štruktúru elektródových materiálov, čím sa zvyšuje vnútorný odpor batérie.
Iv. Záver
Príčiny zvýšenia vnútorného odporu v lítiových batériách počas skratov sú mnohostranné, vrátane príčin na úrovni materiálu, superpozičného účinku defektov procesu, vplyvu prostredia využívania a prevádzkových podmienok a miestneho prehriatia a štrukturálnych poškodení spôsobených skratmi. Tieto faktory navzájom interagujú, čo kolektívne vedie k zvýšeniu vnútorného odporu v lítiových batériách počas skratov. Pochopenie týchto príčin má veľký význam pre návrh, výrobu, používanie a údržbu lítiových batérií. Vo fáze návrhu batérie by sa mali vybrať vhodné materiály a parametre procesu optimalizované na zníženie vnútorného odporu batérie. Počas používania batérie by sa batéria mala udržiavať ďalej od tvrdých prostredí používania, ako sú vysoké teploty, nízke teploty a vysoká vlhkosť, a rýchlosť nabíjania a vypúšťania batérie by sa mala primerane riadiť, aby sa predĺžila životnosť batérie a zaistila bezpečnosť batérie. Zároveň by sa v prípade batérií, ktoré už zažili skrat, by sa malo vykonať včasné ošetrenie, aby sa predišlo vyvolávaniu vážnejších bezpečnostných problémov. Budúci výskum by sa mal ďalej ponoriť do mechanizmu zvýšenia vnútorného odporu v lítiových batériách počas skratov a vyvinúť efektívnejšie technológie správy batérií a ochrany na zlepšenie výkonu a bezpečnosti lítiovej batérie.