I. Introducere
Bateriile de litiu, ca dispozitiv important de stocare a energiei, au fost aplicate pe scară largă în societatea modernă, cum ar fi în vehicule electrice și dispozitive electronice portabile. Cu toate acestea, bateriile de litiu pot experimenta scurtcircuite în timpul utilizării, ceea ce nu numai că afectează performanța bateriei, dar pot declanșa și probleme grave de siguranță, cum ar fi incendii și explozii. Rezistența internă este unul dintre indicatorii cheie pentru măsurarea performanței bateriei de litiu. O creștere a rezistenței interne duce la o scădere a capacității de descărcare a bateriei, la o reducere a capacității și la o durată de viață scurtată. Prin urmare, studierea cauzelor creșterii rezistenței interne a bateriilor de litiu în timpul scurtcircuitelor are o semnificație teoretică și practică importantă.
Ii. Compoziția Bateriei de litiu Rezistență internă
Rezistența internă a unei baterii de litiu constă în principal din rezistență ohmică și rezistență la polarizare. Rezistența ohmică include rezistența electrozilor în sine, rezistența soluției de electroliți, rezistența întâlnită de ioni care trec prin microporii separatorului și rezistența de contact între electrozii pozitivi\/negativi și separator. Rezistența la polarizare este rezistența conductoare formată datorită polarizării electrodului în timpul încărcării și descărcării bateriei, inclusiv polarizarea electrochimică și polarizarea concentrației. Polarizarea electrochimică este cauzată de slăbiciunea reacțiilor de electrod, în timp ce polarizarea concentrației este cauzată de modificări ale concentrației de ioni în apropierea suprafeței electrodului.
Iii. Analiza cauzelor creșterii rezistenței interne a bateriilor de litiu în timpul scurtcircuitelor
(I) cauze rădăcină la nivel de material
1. Regradarea materialelor active pozitive și negative
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). Creșterea dendritelor de litiu poate perfora separatorul, provocând un scurtcircuit al bateriei, în timp ce o peliculă SEI excesiv de groasă poate împiedica migrarea ionilor de litiu și poate crește rezistența internă a bateriei.
2. Probleme de îmbătrânire și interfață alectrolite
Produsele de descompunere a electrolitului (cum ar fi LIF, li₂co₃) se acumulează pe suprafața electrodului, formând un strat de interfață cu impedanță mare. În condiții de temperatură ridicată sau de supraîncărcare, vâscozitatea electrolitului crește, iar eficiența transportului de ioni de litiu scade. De exemplu, atunci când o baterie se află într-un mediu la temperaturi ridicate, vâscozitatea electrolitului crește, iar rata de migrare a ionilor de litiu încetinește, ceea ce duce la o creștere a rezistenței interne a bateriei.
3. Colecționar curent și degradare a filei
Oxidarea sau coroziunea foliei de aluminiu\/cupru duce la o creștere a rezistenței la contact (frecventă în medii cu umiditate ridicată). Sudarea virtuală a punctelor de sudare a filei sau a oboselii materiale (cum ar fi în condiții de vibrație) determină multiplicarea rezistenței locale. În timpul utilizării bateriei, colectorul curent și filele pot suferi oxidare sau coroziune din cauza factorilor de mediu, ceea ce duce la o creștere a rezistenței la contact. În același timp, sudarea virtuală a punctelor de sudare a filei sau a oboselii materiale poate crește și rezistența locală.
(Ii) Efectul de suprapunere a defectelor procesului
1. Acoperirea de foi de electrod
Fluctuațiile densității areale (± 5% sau mai mult) duc la o distribuție neuniformă a curentului și la o creștere semnificativă a rezistenței la polarizare locală. Dacă acoperirea foilor de electrod este inegală, aceasta va duce la o distribuție neuniformă a curentului în interiorul bateriei, anumite zone având densități de curent excesiv de mari, provocând astfel o creștere a rezistenței la polarizare locală.
2.Erori în procesele de stivuire\/înfășurare
Alinierea necorespunzătoare a fișelor de electrod duce la contactul cu margini, crescând riscul de circuite micro-scurte și impedanță suplimentară. În timpul fabricării bateriilor, dacă există erori în procesul de stivuire sau înfășurare, poate provoca alinierea necorespunzătoare a foilor de electrod, ceea ce duce la contactul cu margini, crescând riscul de circuite cu micro-scurt și impedanță suplimentară.
3.Injecție și umectare insuficientă de electroliți
Electrolitul nu pătrunde complet în porii separatorului (gradul de umectare <90%), blocând canalele ionice. Dacă electrolitul nu pătrunde complet în porii separatorului, acesta va bloca canalele ionice, va încetini rata de migrare a ionilor de litiu și va crește rezistența internă a bateriei.
(Iii) Impactul mediului de utilizare și al condițiilor de operare
1.Mediu la temperatură scăzută
Conductivitatea ionică a electrolitului scade cu mai mult de 50%și atât rezistența ohmică, cât și rezistența la polarizare cresc. Într-un mediu la temperaturi scăzute, conductivitatea ionică a electrolitului scade semnificativ, ceea ce duce la o creștere a rezistenței ohmice a bateriei și a rezistenței la polarizare.
2.Încărcare și descărcare de mare viteză
Polarizarea concentrației se intensifică, platforma de tensiune se prăbușește, iar rezistența internă eficientă crește cu 20% - 40%. Atunci când o baterie suferă încărcare și descărcare cu rate ridicate, concentrația de ioni de lângă suprafața electrodului se schimbă rapid, ceea ce duce la polarizarea concentrației intensificate și la o creștere a rezistenței interne eficiente a bateriei.
3.Îmbătrânirea ciclismului pe termen lung
Efectele cumulate, cum ar fi pierderea activă de litiu și o scădere a porozității electrodului duc la o rată anuală de creștere a rezistenței interne care depășește 5%. În timpul utilizării ciclismului pe termen lung a unei baterii, litiu activ se epuizează treptat, iar porozitatea electrodului scade. Aceste efecte cumulate duc la o rată anuală de creștere a rezistenței interne care depășește 5%.
(Iv) Supraîncălzirea locală și daunele structurale cauzate de scurtcircuite
1. Supraîncălzire locală
Curentul mare generat în timpul unui scurtcircuit duce la o creștere accentuată a temperaturii locale din interiorul bateriei. Temperaturile ridicate accelerează degradarea materialelor interne ale bateriei, cum ar fi descompunerea electrolitelor și modificările structurii materialului electrodului, crescând în continuare rezistența internă. De exemplu, atunci când o baterie se confruntă cu un scurtcircuit, locația de scurtcircuit generează o cantitate mare de căldură, determinând creșterea temperaturii locale și descompunerea electrolitului, formând un strat de interfață cu impedanță ridicată și creșterea rezistenței interne a bateriei.
2. Daune structurale
Curentul uriaș și căldura generate în timpul unui scurtcircuit pot duce la deteriorarea structurală în interiorul bateriei, cum ar fi topirea separatorului și deformarea materialului electrodului. Aceste daune structurale afectează direct canalele de transport cu ioni și electroni ai bateriei, ceea ce duce la o creștere semnificativă a rezistenței interne. De exemplu, temperatura ridicată generată în timpul unui scurtcircuit poate topi separatorul, provocând un contact direct între electrozii pozitivi și negativi, formând un curent de scurtcircuit mai mare și, de asemenea, deteriorarea structurii materialelor electrodului, crescând rezistența internă a bateriei.
Iv. Concluzie
Cauzele creșterii rezistenței interne a bateriilor de litiu în timpul scurtcircuitelor sunt multifacete, incluzând cauzele principale la nivel de material, efectul de suprapunere a defectelor procesului, impactul mediului de utilizare și condițiile de operare și supraîncălzirea locală și daunele structurale cauzate de scurtcircuite. Acești factori interacționează între ei, ceea ce duce la o creștere a rezistenței interne a bateriilor de litiu în timpul scurtcircuitelor. Înțelegerea acestor cauze are o importanță deosebită pentru proiectarea, fabricarea, utilizarea și întreținerea bateriilor de litiu. În etapa de proiectare a bateriei, trebuie selectate materiale adecvate și parametrii de proces optimizați pentru a reduce rezistența internă a bateriei. În timpul utilizării bateriei, bateria ar trebui să fie ținută departe de medii de utilizare dure, cum ar fi temperaturi ridicate, temperaturi scăzute și umiditate ridicată, iar rata de încărcare și descărcare a bateriei ar trebui să fie controlată în mod rezonabil pentru a prelungi durata de viață a bateriei și pentru a asigura siguranța bateriei. În același timp, pentru bateriile care au experimentat deja un scurtcircuit, trebuie efectuat un tratament în timp util pentru a evita declanșarea unor probleme de siguranță mai grave. Cercetările viitoare ar trebui să se aducă în continuare în mecanismul creșterii rezistenței interne a bateriilor cu litiu în timpul scurtcircuitelor și să dezvolte tehnologii mai eficiente de gestionare a bateriei și de protecție a bateriei pentru a îmbunătăți performanța și siguranța bateriei de litiu.