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Aperçu du vieillissement des piles au lithium
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Aperçu du vieillissement des piles au lithium
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La durée de vie des batteries au lithium a toujours été l'un des paramètres les plus importants pour les acheteurs de véhicules électriques. Comment une batterie au lithium vieillit-elle ?
Le vieillissement apparaît toujours en même temps que la défaillance, mais pour être précis, le vieillissement et la défaillance sont deux concepts. Le vieillissement, qui fait référence à la détérioration des paramètres de performance de la batterie au fil du temps, est un processus quantitatif, et les paramètres font principalement référence à la capacité maximale disponible, à la résistance interne et à la puissance de la batterie. La défaillance, qui est le processus par lequel la batterie perd complètement la capacité de fonctionner, relativement courte dans le temps, est un changement qualitatif. L'accumulation du vieillissement est une cause importante de défaillance.
Facteurs affectant le vieillissement
La meilleure température de fonctionnement de la batterie d'alimentation est de 15℃-35℃, mais dans les applications quotidiennes, il est impossible de répondre pleinement aux besoins de la batterie, par conséquent, le scénario le plus courant affectant le vieillissement de la batterie est la température élevée, la température basse.
En plus de l'environnement, les paramètres de fonctionnement de la batterie joueront également un rôle dans l'accélération ou la décélération du vieillissement, donc le choix des paramètres de charge et de décharge des cellules a un impact important.
Sous l'action des facteurs externes énumérés ci-dessus, les matériaux des électrodes de la batterie et d'autres réactions secondaires autres que la charge et la décharge normales se produisent pendant la réaction électrochimique, ce qui entraîne l'apparition du vieillissement.
Processus de vieillissement typique
Les détails spécifiques du processus de vieillissement sont étroitement liés au choix des matériaux des électrodes positive et négative, des électrolytes et du diaphragme. Cet article expliquera donc le processus de vieillissement en Ontario et n'expliquera pas en détail les matériaux spécifiques pour le moment.
Vieillissement à haute température
50℃ à 60℃ est la limite supérieure de la plage de température de fonctionnement que les batteries au lithium générales peuvent autoriser. Lorsque la réaction électrochimique est réalisée à une température plus élevée, l'électrolyte est plus actif et enclin à une réaction de décomposition, et les produits de décomposition sont combinés avec le matériau cathodique, ce qui constitue la consommation du matériau cathodique ; le matériau de la structure cathodique est corrodé, la structure en treillis s'effondre en raison de l'absence de support matériel suffisant, l'espace vide pour les ions lithium est réduit, et la capacité de la cathode à accueillir les ions lithium diminue, ce qui fait que la capacité de la batterie subit une perte.
Dans le même temps, les produits réfléchis par le matériau cathodique, errant dans l'électrolyte, peuvent adhérer à la surface des électrodes positive et négative. La surface de l'électrode est recouverte de substances qui ne peuvent pas participer au processus de charge et de décharge, ce qui entrave le bon déroulement des processus électrochimiques et augmente la résistance interne de la cellule.
L'effet du processus de haute température sur le vieillissement se produit principalement à l'électrode positive, et l'effet sur l'électrode négative représente un pourcentage relativement faible.
Vieillissement à basse température
Lorsque la température ambiante atteint moins de 0℃, les performances de la batterie Li-ion commencent à être significativement affectées par la basse température.Le film SIE, un film de passivation généré par la réaction entre le matériau d'électrode négative et l'électrolyte dans le processus de formation du noyau, a un effet protecteur sur le matériau d'électrode négative.
L'épaississement du film SEI rend plus difficile pour les ions lithium de traverser la couche du film et d'atteindre la cathode, ce qui augmente la résistance interne de la cellule lorsqu'elle est combinée à la concentration réduite d'ions lithium conducteurs.
Lors de la charge à basse température, surtout lorsque le courant de charge est relativement élevé, une autre réaction secondaire se produit à l'électrode négative - la précipitation de monomère de lithium. À basse température, l'activité des ions lithium diminue et se charge à peine, ce qui fait que les ions lithium en excès se rassemblent autour de l'électrode négative et ne peuvent pas traverser le film SEI pour atteindre l'encastrement de l'électrode négative, puis se déposent sur la surface de l'électrode négative, formant une couche de lithium pur. Ce processus a tendance à se produire pendant la charge à une température trop basse et est irréversible. Avec l'accumulation des cycles d'utilisation, les monolithes de lithium continuent également de s'accumuler et les dendrites continuent de croître, rendant le risque de perforation du diaphragme cumulatif.
Les batteries au lithium fonctionnent à basse température, le problème de vieillissement se produit principalement dans l'électrode négative, la réaction du côté positif existe aussi, mais l'impact n'est pas significatif.
Charge et décharge à courant élevé
La décharge à un courant dépassant la capacité de décharge nominale, d'une part, l'effet thermique du courant, amenant la propre élévation de température de la batterie, les effets secondaires du vieillissement à haute température s'intensifient progressivement ; d'autre part, le courant élevé amène un excès d'ions lithium à devoir être intégrés dans le matériau de la cathode, provoquant un impact sur la stabilité du matériau.
La décharge à courant élevé, le même problème de génération de chaleur et de stabilité du matériau cathodique de désenrobage. Dans le même temps, trop d'ions lithium sont transportés vers l'électrode négative, dépassant la capacité de l'électrode négative, ce qui entraîne le dépôt de monomères de lithium. Non seulement la capacité sera perdue, mais le risque d'emballement thermique de l'utilisation à long terme augmente également, le préjudice est plus grave.
Surtension, sous-tension, charge et décharge
La charge en surtension et la décharge en sous-tension entraînent un changement de phase du matériau cathodique, ce qui réduit l'espace vide pour accueillir les ions lithium et affecte la capacité maximale disponible de la cellule.
Autodécharge
L'autodécharge de la cellule de la batterie se produit à tout moment et en tout lieu, et le processus d'autodécharge est plus important lorsque la température est plus élevée et que le niveau de charge est plus important. Le processus d'autodécharge entraîne une perte conjointe de la capacité réversible et irréversible de la batterie. Les produits de l'autodécharge, fixés à la surface de l'électrode, bloquent les canaux lithium-ion et réduisent la position d'encastrement du lithium-ion, ce qui entraîne une perte de capacité permanente de la cellule.
Vieillissement du module
La batterie Li-ion est connectée en série et en parallèle pour former un module, et le vieillissement du module est directement affecté par le vieillissement de la cellule individuelle. En outre, le vieillissement des noyaux entraîne la détérioration de la cohérence entre les noyaux, ce qui fait que le vieillissement des modules s'amplifie sur la base du vieillissement des noyaux.
En plus de l'influence du vieillissement du noyau, le module sera également affecté par les vibrations, l'oxydation et la corrosion des pièces conductrices, ce qui aggravera le degré de vieillissement. Les connexions entre le noyau interne du module et la barre de cuivre, et entre la barre de cuivre et les bornes du module sont maintenues en contact étroit par soudure ou vissage afin de garantir que la résistance reste dans une fourchette raisonnable. L'augmentation de la résistance de connexion due aux vibrations et à l'oxydation modifie la distribution de la résistance à l'intérieur du module. Ces changements peuvent affecter les résultats de détection de la tension de la cellule, ce qui affecte à son tour le processus de charge/décharge et d'égalisation de la cellule.
L'environnement difficile et les paramètres de travail surchargés rendent le processus de vieillissement plus significatif et plus facile à observer par les chercheurs. En fait, le processus de vieillissement se déroule en silence. Il existe deux durées de vie pour les cellules, la durée de vie calendaire et la durée de vie cyclique. D'après le nom de la vie calendaire, nous pouvons ressentir l'insomnie du vieillissement. Par conséquent, la recherche sur les facteurs influençant le vieillissement des noyaux électriques vise uniquement à réduire le vieillissement accéléré dû à des opérations irrégulières.