I. Uvod
Litijeve baterije kot pomembna naprava za shranjevanje energije so bile široko uporabljene v sodobni družbi, na primer v električnih vozilih in prenosnih elektronskih napravah. Vendar lahko litijeve baterije med uporabo doživijo kratke stike, ki ne vplivajo samo na delovanje baterije, ampak lahko sprožijo tudi resne varnostne težave, kot so požari in eksplozije. Notranji upor je eden ključnih kazalcev za merjenje zmogljivosti litijeve baterije. Povečanje notranjega upora vodi do zmanjšanja zmogljivosti praznjenja baterije, zmanjšanja zmogljivosti in skrajšane življenjske dobe. Zato ima preučevanje vzrokov za povečanje notranje odpornosti v litijevih baterijah med kratkimi stik pomemben teoretični in praktični pomen.
Ii. Sestava notranje upornosti litijeve baterije
Notranja odpornost litijeve baterije je predvsem sestavljena iz ohmične odpornosti in polarizacijske odpornosti. Ohmična odpornost vključuje odpornost samih elektrod, upornost raztopine elektrolita, upor, ki se srečujejo z ioni, ki prehajajo skozi mikropore separatorja, in kontaktno upornost med pozitivnimi\/negativnimi elektrodami in separatorjem. Polarizacijska upornost je prevodna odpornost, ki nastane zaradi polarizacije elektrode med polnjenjem in odvajanjem baterije, vključno z elektrokemično polarizacijo in polarizacijo koncentracije. Elektrokemična polarizacija povzroča počasnost reakcij elektrode, medtem ko koncentracijska polarizacija povzročajo spremembe koncentracije ionov v bližini površine elektrode.
Iii. Analiza vzrokov za povečanje notranje odpornosti v litijevih baterijah med kratkimi vezji
(I) Vzroki na ravni materiala
1.Degradiranje pozitivnih in negativnih aktivnih materialov
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 litijevih dendritov lahko preluknja separator, kar povzroči kratek stik z akumulatorjem, medtem ko lahko pretirano debel film SEI ovira migracijo litij ionov in poveča notranjo odpornost baterije.
2. Elektrolitne staranja in težave z vmesnikom
Na površini elektrode se kopičijo izdelki za razgradnjo elektrolitov (na primer Lif, li₂co₃) in tvorijo vmesni sloj z visoko impedanco. V pogojih visokotemperaturne ali prekomerne pogodbe se viskoznost elektrolitov povečuje, učinkovitost transporta litijevega ionov pa se zmanjša. Na primer, ko je baterija v visokotemperaturnem okolju, se viskoznost elektrolita poveča, stopnja migracije litijevih ionov pa se upočasni, kar vodi do povečanja notranje odpornosti baterije.
3. Pokuka zbiratelja in razgradnje jezička
Oksidacija ali korozija aluminijaste\/bakrene folije vodi do povečanja kontaktne odpornosti (pogosto v okolju z visoko humidnostjo). Navidezno varjenje varilnih točk ali materialno utrujenost (na primer v vibracijskih pogojih) povzroči lokalno odpornost na množenje. Med uporabo baterije lahko trenutni zbiralnik in zavihki zaradi okoljskih dejavnikov opravijo oksidacijo ali korozijo, kar vodi do povečanja kontaktne odpornosti. Hkrati lahko virtualno varjenje varilnih točk ali materialne utrujenosti tudi poveča lokalni odpor.
(Ii) Superpozicijski učinek procesnih napak
1.EVENSKA PREDSTAVLJA ELEKTRODE
Nihanja gostote areale (± 5% ali več) vodijo do neenakomerne porazdelitve toka in znatnega povečanja lokalne polarizacijske odpornosti. Če je prevleka elektrod neenakomerna, bo to povzročila neenakomerna porazdelitev toka znotraj baterije, pri čemer imajo nekatera območja pretirano visoke gostote toka, kar bo povzročilo povečanje lokalne polarizacijske odpornosti.
2.Napake v postopkih zlaganja\/navitja
Neskladje elektrod vodi vodi v stik z robom Burr, kar povečuje tveganje za mikro kratkoročne vezje in dodatno impedanco. Med proizvodnjo baterij, če pride do napak v postopku zlaganja ali navitja, lahko povzroči neskladje elektrod, kar vodi do ročnega stika z burrjem, kar poveča tveganje za mikro kratkoročne vezje in dodatno impedanco.
3.Nezadostno injiciranje elektrolitov in vlaženje
Elektrolit ne prodre v popolnoma prodre v ločevalne pore (stopnja vlaže <90%), ki blokira ionske kanale. Če elektrolit ne prodre v popolnoma prodre v ločevalne pore, bo blokiral ionske kanale, upočasnil hitrost migracije litijevih ionov in povečal notranjo odpornost baterije.
(Iii) Vpliv uporabe okolja in delovnih pogojev
1.Okolje z nizko temperaturo
Ionska prevodnost elektrolita se zmanjša za več kot 50%, tako ohmična odpornost kot polarizacijska odpornost pa se poveča. V nizkotemperaturnem okolju se ionska prevodnost elektrolita znatno zmanjša, kar vodi do povečanja baterijske ohmične odpornosti in polarizacijske odpornosti.
2.Visokocenovno polnjenje in odvajanje
Polarizacija koncentracije se poveča, napetostna platforma se zruši in učinkovita notranja upor se poveča za 20% - 40%. Kadar se baterija podvrže visokemu polnjenju in odvajanju, se koncentracija ionov v bližini površine elektrode hitro spremeni, kar vodi do okrepljene polarizacije koncentracije in povečanja notranje odpornosti na baterijo.
3.Dolgotrajno kolesarsko staranje
Kumulativni učinki, kot sta aktivna izguba litija in zmanjšanje poroznosti elektrode, vodijo do letne stopnje rasti notranje odpornosti, ki presega 5%. Med dolgotrajno kolesarsko uporabo baterije se aktivni litij postopoma izčrpa in prav tako se zmanjšuje poroznost elektrode. Ti kumulativni učinki vodijo do letne stopnje rasti notranje odpornosti, ki presega 5%.
(Iv) Lokalno pregrevanje in strukturne poškodbe, ki jih povzročajo kratki stiki
1.Lakalno pregrevanje
Velik tok, ustvarjen med kratkim stikom, vodi do močnega zvišanja lokalne temperature znotraj baterije. Visoke temperature pospešijo razgradnjo notranjih materialov akumulatorja, kot sta razgradnjo elektrolitov in spremembe v strukturi elektrode, kar še poveča notranje odpornost. Na primer, ko baterija doživi kratek stik, lokacija kratkega stika ustvari veliko količino toplote, kar povzroči dvig lokalne temperature in razgradnje elektrolitov, kar tvori sloj vmesnika z visoko impedanco in poveča notranjo upornost baterije.
2.Sstrukturna škoda
Ogromen tok in toplota, ustvarjena med kratkim stikom, lahko privede do strukturnih poškodb znotraj akumulatorja, kot sta taljenje separatorja in deformacija materiala elektrode. Te strukturne škode neposredno vplivajo na ionske in elektronske transportne kanale baterije, kar vodi do znatnega povečanja notranjega upora. Na primer, visoka temperatura, ustvarjena med kratkim vezjem, lahko stopi ločevalnik, kar povzroči neposreden stik med pozitivnimi in negativnimi elektrodami, kar tvori večji tok kratkega vezja in tudi poškoduje strukturo materialov elektrode in poveča notranje upor baterije.
Iv. Zaključek
Vzroki za povečanje notranje odpornosti v litijevih baterijah med kratkimi vezji so večplastni, vključno z vzroki na ravni materiala, učinkom superpozicije napak v procesih, vplivom okolja uporabe in obratovalnimi pogoji ter lokalnim pregrevanjem in strukturnimi poškodbami, ki jih povzročajo kratki vezji. Ti dejavniki medsebojno delujejo, kar skupaj vodi do povečanja notranje odpornosti v litijevih baterijah med kratkimi stik. Razumevanje teh vzrokov je velik pomen za oblikovanje, proizvodnjo, uporabo in vzdrževanje litijevih baterij. V fazi oblikovanja baterije je treba izbrati ustrezne materiale in optimizirati procesne parametre, da se zmanjšajo notranji upor baterije. Med uporabo baterije je treba baterijo preprečiti pred ostrimi okolji, kot so visoke temperature, nizke temperature in visoka vlažnost, hitrost polnjenja in izliva baterije pa je treba smiselno nadzorovati, da se podaljša življenjsko dobo baterije in zagotavlja varnost baterije. Hkrati je treba za baterije, ki so že doživele kratek stik, pravočasno obdelavo opraviti, da se izognete sprožitvi resnejših varnostnih vprašanj. Prihodnje raziskave bi morale še bolj preusmeriti mehanizem povečanja notranje odpornosti litijevih baterij med kratkimi stik in razviti učinkovitejše tehnologije za upravljanje baterij in zaščito za izboljšanje učinkovitosti in varnosti litijeve baterije.