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Analyse du cycle de vie d'une batterie lithium-ion
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Analyse du cycle de vie d'une batterie lithium-ion
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Pour une batterie lithium-ion idéale, l'équilibre de la capacité ne changera pas au cours de son cycle, et la capacité initiale de chaque cycle doit être d'une certaine valeur. En réalité, la situation est beaucoup plus complexe. Toute réaction secondaire susceptible d'initier ou de consommer des ions lithium peut entraîner le changement de l'équilibre de capacité de la batterie. Cela aura un impact sérieux sur la performance de cycle de la batterie.
De nombreux facteurs affectent la durée de vie des batteries lithium-ion, mais la raison fondamentale est que le nombre d'ions lithium impliqués dans le transfert d'énergie diminue. Il faut noter que la quantité totale de lithium dans la batterie n'a pas été réduite, mais il y a moins d'ions lithium "activés". Ils sont confinés dans d'autres endroits ou le canal actif est bloqué et ne peuvent pas participer librement au processus de charge et de décharge cyclique.
Si nous trouvons où sont passés ces ions lithium qui auraient dû participer à la réaction d'oxydoréduction, nous pouvons découvrir le mécanisme du déclin de la capacité et prendre des mesures ciblées pour retarder la tendance au déclin de la capacité des batteries lithium-ion et améliorer la durée de vie des batteries lithium-ion.
1. Dépôt de lithium métallique
Grâce à la décomposition précédente, nous savons que le lithium ne doit pas exister sous la forme métallique du lithium dans les batteries lithium-ion. Les éléments de lithium existent soit sous forme d'oxydes métalliques, de composés carbone-lithium ou d'ions.
Sur la surface de l'électrode négative, le lithium métallique est facile à déposer. Pour certaines raisons, lorsque les ions lithium migrent vers la surface de l'électrode négative, certains ions lithium n'entrent pas dans la matière active de l'électrode négative pour former des composés stables, mais se déposent sur la surface de l'électrode négative pour devenir du lithium métallique après avoir obtenu des électrons, et ne participent plus au processus du cycle suivant, ce qui entraîne une diminution de la capacité.
Cette situation est généralement causée par plusieurs raisons : la charge dépasse la tension de coupure ; le taux de charge est élevé ; le matériau négatif est insuffisant. En cas de surcharge ou si le matériau de la cathode est insuffisant, la cathode ne peut pas accueillir les ions lithium qui ont migré depuis la cathode, ce qui entraîne le dépôt de lithium métallique. Lors d'une charge à haut débit, la quantité d'ions lithium atteignant l'électrode négative en un court laps de temps est trop importante, ce qui entraîne un blocage et un dépôt.
Le dépôt de lithium métallique ne réduira pas seulement la durée de vie du cycle, mais conduira également à un court-circuit positif et négatif, entraînant de sérieux problèmes de sécurité.
Pour résoudre ce problème, nous devons mélanger raisonnablement les matériaux positifs et négatifs, et limiter strictement les conditions de service des batteries lithium-ion pour éviter de dépasser la limite de service. Bien sûr, en partant des performances de grossissement, la durée de vie du cycle peut également être améliorée localement.
2. Analyse des matériaux de cathode
Bien que les oxydes métalliques contenant du lithium comme matériaux de cathode aient une stabilité suffisante, ils continueront à être analysés dans le processus d'utilisation à long terme, et certaines substances inertes électrochimiques (telles que Co3O4, Mn2O3, etc.) et certains gaz combustibles germeront, ce qui détruira l'équilibre de capacité entre les électrodes et provoquera une perte de capacité irréversible.
Cette situation est particulièrement évidente en cas de surcharge, et parfois même une analyse violente et une libération de gaz se produiront, ce qui n'affectera pas seulement la capacité de la batterie, mais causera également de sérieux risques pour la sécurité.
En plus de limiter strictement la tension de coupure de charge de la batterie, l'amélioration de la stabilité chimique et thermique du matériau de la cathode est également un moyen envisageable de réduire le taux de déclin de la durée de vie du cycle.
3. Film SEI sur la surface de l'électrode
Comme nous l'avons mentionné précédemment, pour les batteries lithium-ion avec un matériau en carbone comme électrode négative, pendant le cycle initial, l'électrolyte formera une couche d'électrolyte solide (SEI) sur la surface de l'électrode. Les différents matériaux d'électrode négative présentent certaines différences, mais les composants du film SEI sont principalement composés de carbonate de lithium, d'ester alkylique de lithium, d'hydroxyde de lithium, etc. Bien sûr, il existe également des produits d'analyse de sel, ainsi que certains polymères.
Le processus de formation de la membrane SEI consommera des ions de lithium dans la batterie, et la membrane SEI n'est pas stable. Elle continuera à se briser au cours du cycle, à exposer de nouvelles surfaces de carbone, puis à réagir avec les électrolytes pour former une nouvelle membrane SEI, ce qui continuera à provoquer la perte continue d'ions lithium et d'électrolytes, entraînant le déclin de la capacité de la batterie. Le film SEI a une certaine épaisseur. Bien que les ions lithium puissent pénétrer, le film SEI bloquera certains canaux de diffusion sur la surface de l'électrode négative, ce qui ne favorise pas la diffusion des ions lithium dans le matériau de l'électrode négative, ce qui réduira également la capacité de la batterie.
4. Influence de l'électrolyte
Dans le processus de circulation continue, l'électrolyte sera continuellement analysé et volatilisé en raison des limites de la stabilité chimique et de la stabilité thermique, qui s'accumuleront pendant une longue période, entraînant la réduction de la quantité totale d'électrolyte, une infiltration insuffisante des matériaux positifs et négatifs, une réaction incomplète de charge et de décharge, entraînant le déclin de la capacité d'utilisation réelle.
Parce que le potentiel d'oxydation des impuretés est généralement inférieur au potentiel positif de la batterie lithium-ion, il est facile de s'oxyder sur la surface positive, et l'oxyde est réduit sur l'électrode négative, consommant continuellement les substances actives positives et négatives, provoquant une auto-décharge, c'est-à-dire, modifiant la décharge de la batterie en cas d'utilisation anormale.
L'électrolyte contient également une certaine quantité d'eau, qui va réagir avec le lifp6 dans l'électrolyte pour transformer le LIF et le HF. Le HF va alors détruire la membrane SEI et générer plus de LIF, ce qui entraîne un dépôt de LiF, une consommation continue d'ions lithium actifs et un déclin de la durée de vie de la batterie.
D'après la décomposition ci-dessus, on peut voir que l'électrolyte a un impact très important sur la durée de vie de la batterie lithium-ion. La sélection d'un électrolyte approprié améliorera clairement la durée de vie de la batterie.
5. Chute des matériaux positifs et négatifs
Les substances actives des électrodes positives et négatives sont fixées sur le substrat par l'adhésif. Dans le processus d'utilisation à long terme, en raison de la défaillance de l'adhésif et des vibrations mécaniques de la batterie, les substances actives des électrodes positives et négatives continuent à se détacher et à entrer dans la solution d'électrolyte, ce qui entraîne une réduction continue des substances actives pouvant participer à la réaction électrochimique et un déclin continu de la durée de vie de la batterie.
6. Facteurs d'utilisation externe
Les batteries au lithium-ion ont des conditions et des plages de service raisonnables, telles que la tension de coupure de la charge-décharge, le rapport charge-décharge, la plage de température de travail, la plage de température de stockage, etc. Cependant, dans l'utilisation réelle, les abus au-delà de la portée autorisée sont très courants. Une utilisation déraisonnable à long terme entraînera une réaction chimique irréversible à l'intérieur de la batterie, endommagera le mécanisme de la batterie, accélérera le vieillissement de la batterie et provoquera un déclin rapide de la durée de vie du cycle. Dans des conditions graves, elle provoquera également des accidents de sécurité.
7. Sécurité de la batterie lithium-ion
La raison interne du problème de sécurité de la batterie lithium-ion est que la chaleur à l'intérieur de la batterie est hors de contrôle et que la chaleur est continuellement accumulée, ce qui entraîne une augmentation continue de la température interne de la batterie, et sa performance externe est le violent phénomène de libération d'énergie comme la combustion et l'explosion.
La batterie est un vecteur d'énergie de haute densité. Par essence, il existe des facteurs dangereux. Plus la densité énergétique est élevée, plus l'impact d'une libération violente d'énergie est important, et plus le problème de sécurité est important. L'essence, le gaz naturel, l'acétylène et d'autres vecteurs d'énergie élevés présentent les mêmes problèmes. Il y a d'innombrables accidents de sécurité chaque année.
Les différents systèmes électrochimiques, les différentes capacités, les paramètres de processus, l'environnement d'utilisation et le degré d'utilisation ont un grand impact sur la sécurité des batteries lithium-ion.
Parce que la batterie stocke de l'énergie, dans le processus de libération de l'énergie, lorsque la vitesse d'initiation et d'accumulation de la chaleur de la batterie est supérieure à la vitesse de dissipation de la chaleur, la température interne de la batterie continuera à augmenter. Les batteries lithium-ion sont composées de matériaux cathodiques hautement actifs et d'un électrolyte organique. Dans des conditions de chauffage, elles sont très sujettes à de violentes réactions chimiques secondaires. Cette réaction génère beaucoup de chaleur et peut même conduire à une "chaleur incontrôlable", ce qui est une raison importante pour les accidents dangereux des batteries.