Analyse de la durée de vie d'une batterie lithium-ion

Analyse de la durée de vie d'une batterie lithium-ion

Dans le cas d'une batterie lithium-ion idéale, l'équilibre des capacités ne change pas au cours du 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 une modification de l'équilibre de la capacité de la batterie. Cela aura un impact sérieux sur la performance du 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 convient de noter que la quantité totale de lithium dans la batterie n'a pas été réduite, mais qu'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 de diminution de la capacité et prendre des mesures ciblées pour retarder la tendance à la diminution 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 lithium existent soit sous forme d'oxydes métalliques, de composés carbone-lithium ou d'ions.

À la surface de l'électrode négative, le lithium métallique se dépose facilement. Pour certaines raisons, lorsque les ions lithium migrent vers la surface de l'électrode négative, certains ions lithium ne pénètrent pas dans le matériau actif 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 due à 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 migrent depuis la cathode, ce qui entraîne le dépôt de lithium métallique. Lors d'une charge à haute vitesse, la quantité d'ions lithium atteignant l'électrode négative en peu de temps est trop importante, ce qui entraîne un blocage et un dépôt.

Le dépôt de lithium métallique ne réduit pas seulement la durée du cycle, mais entraîne également un court-circuit positif et négatif, ce qui pose de graves problèmes de sécurité.

Pour résoudre ce problème, nous devrions mélanger raisonnablement les matériaux positifs et négatifs et limiter strictement les conditions de service des batteries lithium-ion afin d'éviter de dépasser la limite de service. Bien entendu, à partir des performances d'agrandissement, la durée de vie du cycle peut également être améliorée localement.

2. Analyse des matériaux de la cathode

Bien que les matériaux cathodiques contenant du lithium et des oxydes métalliques soient suffisamment stables, ils continueront à être analysés au cours du processus d'utilisation à long terme, et certaines substances électrochimiques inertes (telles que Co3O4, Mn2O3, etc.) et certains gaz combustibles se formeront, ce qui détruira l'équilibre de la capacité entre les électrodes et entraînera une perte de capacité irréversible.

Cette situation est particulièrement évidente en cas de surcharge, et parfois même une analyse violente et un dégagement de gaz se produisent, ce qui affecte non seulement la capacité de la batterie, mais entraîne également de graves risques pour la sécurité.

Outre la limitation stricte de la tension de coupure de la charge de la batterie, l'amélioration de la stabilité chimique et thermique du matériau de la cathode est également un moyen réalisable de réduire le taux de diminution de la durée de vie.

3. Film SEI sur la surface de l'électrode

Comme mentionné précédemment, pour les batteries lithium-ion avec un matériau en carbone comme électrode négative, pendant le cycle initial, l'électrolyte formera une couche de film 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 d'alkyle de lithium, d'hydroxyde de lithium, etc.

Le processus de formation de la membrane SEI consomme des ions lithium dans la batterie, et la membrane SEI n'est pas stable. Elle continuera à se briser au cours du cycle, exposera de nouvelles surfaces de carbone, puis réagira avec les électrolytes pour former une nouvelle membrane SEI, ce qui continuera à provoquer la perte continue d'ions lithium et d'électrolytes, entraînant une baisse de la capacité de la batterie. Le film SEI a une certaine épaisseur. Bien que les ions lithium puissent pénétrer, le film SEI bloque 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 réduit également la capacité de la batterie.

4. Influence de l'électrolyte

Au cours du 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 de charge et de décharge incomplète, ce qui entraîne une diminution de la capacité d'utilisation réelle.

Le potentiel d'oxydation des impuretés étant généralement inférieur au potentiel positif de la batterie lithium-ion, il est facile de les oxyder sur la surface positive, et l'oxyde est réduit sur l'électrode négative, consommant continuellement les substances actives positives et négatives, provoquant une autodécharge, 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 réagit avec le lifp6 dans l'électrolyte pour transformer le LIF en HF. Le HF détruit alors la membrane SEI et génère davantage de LIF, ce qui entraîne un dépôt de LiF, une consommation continue d'ions lithium actifs et une diminution de la durée de vie de la batterie.

La décomposition ci-dessus montre que l'électrolyte a un impact très important sur la durée de vie d'une 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. Lors d'une 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 pénétrer dans la solution électrolytique, ce qui entraîne une réduction continue des substances actives pouvant participer à la réaction électrochimique et une diminution continue de la durée de vie de la batterie.

6. Facteurs d'utilisation externe

Les batteries au lithium-ion ont des conditions de service et des plages raisonnables, telles que la tension de coupure de la décharge de la charge, le rapport de décharge de la charge, la plage de température de travail, la plage de température de stockage, etc. Cependant, dans l'utilisation réelle, les abus au-delà des limites autorisées 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 entraînera une diminution rapide de la durée de vie du cycle. Dans des conditions graves, elle peut également provoquer des accidents de sécurité.

7. Sécurité des batteries lithium-ion

La raison interne du problème de sécurité des batteries lithium-ion est que la chaleur à l'intérieur de la batterie est incontrôlable et qu'elle s'accumule continuellement, 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 tel que la combustion et l'explosion.

La batterie est un vecteur d'énergie à haute densité. Par essence, il existe des facteurs d'insécurité. Plus la densité énergétique est élevée, plus l'impact d'une libération violente d'énergie est grand et plus le problème de sécurité est important. L'essence, le gaz naturel, l'acétylène et d'autres vecteurs de haute énergie présentent les mêmes problèmes. D'innombrables accidents de sécurité se produisent chaque année.

Les différents systèmes électrochimiques, les différentes capacités, les paramètres du processus, l'environnement d'utilisation et le degré d'utilisation ont un impact important sur la sécurité des batteries lithium-ion.

Étant donné que la batterie stocke 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 d'augmenter. Les batteries au 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 des accidents dangereux liés aux batteries.