Вивчення трьох основних явищ несправності рідких літієвих батарей і як може твердотільний акумулятор

Досліджуючи негативні реакції, які відбуваються в літієвих батареях під час циклічної роботи, ми можемо узагальнити наслідки цих реакцій у три основні сценарії деградації акумулятора та спостерігати вплив твердих електролітів на явища деградації.

1. Втрата ємності рідкої літієвої батареї

Під час циклу внаслідок збільшення чи звуження позитивного та негативного електродів плівка SEI розщеплюється та продовжує рости. Процес зростання плівки SEI споживатиме активний літій, що призведе до зменшення загальної ємності батареї та збільшення внутрішнього опору; крім того, під час заряджання позитивний електрод знаходиться у сильно окисленому стані, і відновлювальний фазовий перехід може статися. Перехідні метали в каркасі, такі як іони кобальту, осідають в електроліт і дифундують до негативного електрода, каталізуючи подальше зростання плівки SEI, що призводить до споживання активного літію. У той же час через структуру позитивного електрода. Коли негативний електрод пошкоджено, потенціал негативного електрода стає нижчим під час заряджання, і Li+ дифундує з позитивного електрода та вставляється в негативний електрод. Коли температура занадто низька або зарядний струм занадто високий, швидкість інтеркаляції металевого літію знижується, і він безпосередньо виділяється з негативного електрода. На поверхні ефект поляризації сильніший. Окрім втрати активного літію та збільшення внутрішнього опору, він також утворює фатальні дендрити літію, що призведе до внутрішнього короткого замикання в довгостроковій перспективі.

Теоретично самі іони не рухаються під час роботи повністю твердотільного акумулятора, тому необоротних реакцій буде менше. Якщо використовується твердотільний електроліт, який є електрохімічно стабільним з літієм, такі проблеми, як SEI та деградація електроліту, також можуть бути уповільнені, що може ефективно зменшити споживання іонів літію під час заряджання та розряджання. Величина зниження ємності може зменшити або пригнічувати утворення літієвих дендритів. Наприклад, оксид літію-лантану-цирконію (LLZO) із структурою граната в оксидних електролітах має чудову хімічну стабільність, тоді як тверді полімерні електроліти все ще залишаються. Він складається із солі літію та полімерної матриці, тому його хімічна стабільність не сильно відрізняється від стабільності рідини. полімерні електроліти.

2. Збільшення обсягу рідкої літієвої батареї

Збільшення об’єму в основному відбувається через високий ступінь окислення позитивного електрода під час заряджання. Вільний кисень у кристалічній решітці легко випадає в осад, а потім окислюється разом з електролітом, утворюючи вуглекислий газ і кисень, які поступово викликають набухання під час циклів заряджання та розряджання. Розкладання електроліту прискорюється, коли напруга перевищує 4,35 В (трійкова система) або в середовищі з високою температурою, що призводить до постійного розширення елемента батареї, що вплине принаймні на конфігурацію компонентів пристрою та спричинить пошкодження структури елемента батареї та спричинення пожежі та вибуху.

Твердий електроліт важко окислити за допомогою позитивного електрода через згадану вище хімічну стабільність, яка може уповільнити швидкість розкладання електроліту та газифікації та значно зменшити ступінь розширення об’єму. Крім того, твердий електроліт може витримувати напругу, що перевищує 5 В, без розкладання, тому технологія внутрішньої серії більше не є недосяжною. Насправді збільшення напруги в одній комірці може заощадити частину BMS і шунта, а також значно підвищити щільність енергії та вартість модуля. Це вже привернуло Nissan та інші компанії до інвестування в дослідження та розробки протягом більше десяти років, але це не змогло подолати проблему розкладання електроліту під високим тиском.

3. Теплова віддача рідкої літієвої батареї

Теплова втеча є найбільш шкідливим і непередбачуваним ризиком літієвих батарей. Коли серцевина батареї пошкоджена зовнішньою силою та спричиняє коротке замикання або внутрішнє коротке замикання або перезаряд, температура всередині серцевини батареї відповідно підвищиться. Коли температура піднімається до 130 °C, плівка SEI починає розпадатися, і органічний електроліт вступає в безпосередній контакт з високоактивними позитивним і негативним електродами, тому відбувається велика кількість реакцій розкладання та екзотермічних реакцій, що призводить до швидкого підвищення температури. і внутрішній тиск, і утворюється велика кількість газу, що спричиняє швидке розширення батареї. Після досягнення критичної температури позитивний електрод розпадається, вивільняючи більше теплової енергії та кисню, а суперпозиція багатьох факторів спричиняє посилення ланцюгової реакції нагрівання, розкладання та виділення тепла, що, нарешті, займається та вибухає.

Якщо полімерний електроліт і сепаратор, які спочатку почали виділяти велику кількість горючого газу та тепла приблизно при 150°C, замінити на твердий електроліт, який повільно випаровується при високих температурах і є негорючим, ланцюгова реакція теплового витоку можна заблокувати. Уникнути пожежі та вибуху — це все одно, що тягнути зарплату з дна каструлі. Однак існує великий розрив у термічній стабільності різних електролітних систем. Наприклад, температура займання оксидних керамічних електролітів перевищує 1000 градусів, що може повністю блокувати реакції термічного витікання; і тверді полімерні електроліти. Він почне розпадатися приблизно при 280°C і має найгіршу термічну стабільність. Наразі не було жодного тесту твердих полімерних батарей, які зберігають стабільність вище 300°C.