I. Въведение
Литиевите батерии като важно устройство за съхранение на енергия се прилагат широко в съвременното общество, като например в електрически превозни средства и преносими електронни устройства. Литиевите батерии обаче могат да изпитат късо съединение по време на употреба, което не само влияе върху производителността на батерията, но може също да предизвика сериозни проблеми с безопасността, като пожари и експлозии. Вътрешното съпротивление е един от ключовите показатели за измерване на работата на литиевата батерия. Увеличаването на вътрешното съпротивление води до намаляване на капацитета на изпускане на батерията, намаляване на капацитета и съкратен експлоатационен живот. Следователно, изучаването на причините за увеличаване на вътрешната устойчивост на литиевите батерии по време на късо съединение има важно теоретично и практическо значение.
II. Състав на вътрешно съпротивление на литиевата батерия
Вътрешното съпротивление на литиева батерия се състои главно от омично съпротивление и поляризационна устойчивост. Омилното съпротивление включва съпротивлението на самите електроди, съпротивлението на електролитния разтвор, съпротивлението, срещано от йони, преминаващи през микропорите на сепаратора, и контактното съпротивление между положителните\/отрицателните електроди и сепаратора. Поляризационната устойчивост е проводимото съпротивление, образувана поради поляризацията на електрода по време на зареждане и зареждане на батерията, включително електрохимична поляризация и поляризация на концентрацията. Електрохимичната поляризация се причинява от мудността на реакциите на електрода, докато поляризацията на концентрацията се причинява от промени в йонната концентрация в близост до повърхността на електрода.
Iii. Анализ на причините за вътрешно съпротивление увеличение на литиевите батерии по време на късо съединение
(I) Коренни причини на ниво материали
1. Разграждане на положителни и отрицателни активни материали
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). Растежът на литиевите дендрити може да пробие сепаратора, причинявайки късо съединение на батерията, докато прекалено дебел SEI филм може да попречи на миграцията на литиеви йони и да увеличи вътрешната устойчивост на батерията.
2. Електролитни проблеми с стареенето и интерфейса
Продуктите за разлагане на електролити (като LIF, Li₂co₃) се натрупват върху повърхността на електрода, образувайки висок импеданс интерфейсен слой. При условия на висока температура или надплащане електролитният вискозитет се увеличава и ефективността на транспортирането на литиеви йони намалява. Например, когато батерията е във високотемпературна среда, вискозитетът на електролита се увеличава и скоростта на миграция на литиеви йони се забавя, което води до увеличаване на вътрешното съпротивление на батерията.
3. Влошаване на текущите колекционери и раздели
Окисляването или корозията на алуминиево\/медно фолио води до увеличаване на контактната устойчивост (често срещана в средата с висока способност). Виртуалното заваряване на заваръчни точки на заваряване или умора на материала (като при условия на вибрация) причинява умножение на локалната устойчивост. По време на употребата на батерията настоящият колектор и раздели могат да претърпят окисляване или корозия поради фактори на околната среда, което води до увеличаване на контактната устойчивост. В същото време виртуалното заваряване на точки за заваряване на раздели или умора от материал също може да увеличи местната устойчивост.
(Ii) Ефект на суперпозицията на дефектите на процеса
1. Невероятно покритие на електродни листове
Колебанията в ареална плътност (± 5% или повече) водят до неравномерно разпределение на тока и значително увеличение на локалната поляризационна устойчивост. Ако покритието на електродни листове е неравномерно, това ще доведе до неравномерно разпределение на тока вътре в батерията, като определени области имат прекомерно висока плътност на тока, като по този начин ще доведат до увеличаване на локалната устойчивост на поляризация.
2.Грешки при процесите на подреждане\/намотка
Несъответствието на електродни листове води до контакт с ръбове, увеличаване на риска от микро-къси вериги и допълнителен импеданс. По време на производството на батерии, ако има грешки в процеса на подреждане или намотка, това може да доведе до подравняване на електродни листове, което води до контакт с ръбове, увеличавайки риска от микро-къси вериги и допълнителен импеданс.
3.Недостатъчно инжектиране и намокряне на електролит
Електролитът не прониква напълно в порите на сепаратора (степен на намокряне <90%), блокирайки йонните канали. Ако електролитът не проникне напълно в порите на сепаратора, той ще блокира йонните канали, ще забави скоростта на миграция на литиевите йони и ще увеличи вътрешното съпротивление на батерията.
(Iii) Въздействие на среда за използване и работни условия
1.Ниска температурна среда
Йонната проводимост на електролита намалява с повече от 50%, както и омичната устойчивост и поляризационната устойчивост се увеличават. В нискотемпературна среда йонната проводимост на електролита значително намалява, което води до увеличаване на омичното съпротивление на батерията и устойчивост на поляризация.
2.Високочестотно зареждане и изхвърляне
Поляризацията на концентрацията се засилва, платформата за напрежение се срива и ефективното вътрешно съпротивление се увеличава с 20% - 40%. Когато батерията се подложи на високотехнологично зареждане и изхвърляне, концентрацията на йони в близост до повърхността на електрода бързо се променя, което води до засилена поляризация на концентрацията и увеличаване на ефективното вътрешно съпротивление на батерията.
3.Дългосрочно стареене на колоездене
Кумулативните ефекти като активна загуба на литий и намаляване на порьозността на електрода водят до годишен темп на растеж на вътрешната устойчивост над 5%. По време на дългосрочната употреба на колоездене на батерия активният литий постепенно се изчерпва, а порьозността на електрода също намалява. Тези кумулативни ефекти водят до годишен темп на растеж на вътрешната устойчивост над 5%.
(Iv) Местно прегряване и структурни щети, причинени от късо съединение
1. Локално прегряване
Големият ток, генериран по време на късо съединение, води до рязко повишаване на локалната температура вътре в батерията. Високите температури ускоряват разграждането на вътрешните материали на батерията, като разлагане на електролит и промени в структурата на електродното материали, като допълнително увеличаване на вътрешното съпротивление. Например, когато батерията изпитва късо съединение, местоположението на късо съединение генерира голямо количество топлина, което води до повишаване на локалната температура и разлагане на електролит, образувайки интерфейсен слой с висок импеданс и увеличаване на вътрешното съпротивление на батерията.
2.структурни щети
Огромният ток и топлина, генерирани по време на късо съединение, могат да доведат до структурни увреждания вътре в батерията, като сепаратор за топене и деформация на материала на електрода. Тези структурни щети влияят пряко на каналите за транспортиране на йони и електрон на батерията, което води до значително увеличаване на вътрешното съпротивление. Например, високата температура, генерирана по време на късо съединение, може да разтопи сепаратора, причинявайки директен контакт между положителните и отрицателните електроди, образувайки по -голям ток на късо съединение, а също така да повреди структурата на електродни материали, увеличавайки вътрешното съпротивление на батерията.
IV. Заключение
Причините за увеличаване на вътрешното съпротивление на литиевите батерии по време на късо съединение са многостранни, включително коренни причини на ниво материал, ефект на суперпозиция на дефектите на процеса, въздействието на среда за използване и работни условия и локално прегряване и структурно увреждане, причинени от къси вериги. Тези фактори си взаимодействат помежду си, като колективно водят до увеличаване на вътрешното съпротивление в литиевите батерии по време на късо съединение. Разбирането на тези причини е от голямо значение за проектирането, производството, използването и поддръжката на литиеви батерии. В етапа на проектиране на батерията трябва да бъдат избрани подходящи материали и параметрите на процесите, оптимизирани за намаляване на вътрешното съпротивление на батерията. По време на използването на батерията батерията трябва да се държи далеч от суровата среда за използване, като високи температури, ниски температури и висока влажност, а скоростта на зареждане и зареждане на батерията трябва да бъде разумно контролирана, за да удължи живота на батерията и да гарантира безопасността на батерията. В същото време, за батерии, които вече са преживели късо съединение, трябва да се извърши навременна обработка, за да се избегне задействане на по -сериозни проблеми с безопасността. Бъдещите изследвания трябва допълнително да се задълбочат в механизма на увеличаване на вътрешната устойчивост на литиевите батерии по време на късо съединение и да разработят по -ефективни технологии за управление на батерията и защита за подобряване на работата и безопасността на литиевата батерия.