Aperçu du vieillissement des piles au lithium de puissance

Aperçu du vieillissement des piles au lithium de puissance

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 est toujours associé à une défaillance, mais pour être précis, le vieillissement et la défaillance sont deux concepts différents. 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 se réfèrent principalement 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 sa capacité de fonctionnement, 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 une température élevée, une 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, de sorte que le choix des paramètres de charge et de décharge des cellules a un impact significatif.

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 au cours de la réaction électrochimique, entraînant l'apparition du vieillissement.

Processus de vieillissement typique

Les détails spécifiques du processus de vieillissement sont étroitement liés au choix des matériaux des électrodes positives et négatives, des électrolytes et du diaphragme, c'est pourquoi cet article expliquera 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 piles au lithium générales peuvent autoriser. Lorsque la réaction électrochimique a lieu à une température plus élevée, l'électrolyte est plus actif et sujet à une réaction de décomposition, et les produits de décomposition sont combinés avec le matériau de la cathode, ce qui constitue la consommation du matériau de la cathode ; le matériau de la structure de la cathode est corrodé, la structure en treillis s'effondre en raison de l'absence d'un 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 entraîne une perte de la capacité de la batterie.

En même temps, les produits réfléchis par le matériau de la cathode, se déplaçant dans l'électrolyte, peuvent adhérer à la surface des électrodes positives et négatives. 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 au niveau de l'électrode positive, et l'effet sur l'électrode négative représente un pourcentage relativement faible.

Vieillissement à basse température

Lorsque la température ambiante est inférieure à 0℃, les performances de la batterie Li-ion commencent à être significativement affectées par les basses températures.Le film SIE, un film de passivation généré par la réaction entre le matériau de l'électrode négative et l'électrolyte dans le processus de formation du noyau, a un effet protecteur sur le matériau de l'électrode négative.

L'épaississement du film SEI rend plus difficile pour les ions lithium de traverser la couche de 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, en particulier lorsque le courant de charge est relativement élevé, une autre réaction secondaire se produit à l'électrode négative : la précipitation du 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'enrobage 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 à s'accumuler et les dendrites à se développer, ce qui augmente le risque de perforation du diaphragme.

Les batteries au lithium fonctionnent à basse température, le problème du vieillissement se produit principalement dans l'électrode négative, la réaction du côté positif existe également, mais l'impact n'est pas significatif.

Charge et décharge à courant élevé

La décharge à un courant dépassant la capacité de décharge prévue, d'une part, l'effet thermique du courant entraîne une augmentation de la température de la batterie, les effets secondaires du vieillissement à haute température s'intensifient progressivement ; d'autre part, le courant élevé entraîne un excès d'ions lithium qui doivent être incorporés dans le matériau de la cathode, ce qui a un impact sur la stabilité du matériau.

La décharge à courant élevé pose le même problème de génération de chaleur et de stabilité du matériau de la cathode. 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 diminue, mais le risque d'emballement thermique en cas d'utilisation à long terme augmente également, ce qui aggrave les dommages.

Charge et décharge en cas de surtension ou de sous-tension

La charge à surtension et la décharge à sous-tension entraînent un changement de phase du matériau de la cathode, ce qui réduit l'espace vide pouvant 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, attachés à la surface de l'électrode, bloquent les canaux lithium-ion et réduisent la position d'incorporation du lithium-ion, ce qui entraîne une perte permanente de la capacité 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 une détérioration de la cohérence entre les noyaux, ce qui amplifie le vieillissement des modules en fonction du vieillissement des noyaux.

Outre l'influence du vieillissement des noyaux, le module sera également affecté par les vibrations et l'oxydation, ainsi que par la corrosion des pièces conductrices, ce qui accentuera le degré de vieillissement. Les contacts entre le noyau interne du module et la barre de cuivre, ainsi qu'entre la barre de cuivre et les bornes du module, sont maintenus en étroite relation 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 la détection de la tension de la cellule, ce qui affecte 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 silencieusement. Les cellules ont deux durées de vie : la durée de vie calendaire et la durée de vie cyclique. Le nom de la vie calendaire nous permet de 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 provoqué par des opérations irrégulières.