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Esaminando i tre principali fenomeni di guasto delle batterie al litio liquido e come può la batteria allo stato solido

2023-04-13
Esaminando le reazioni negative che si verificano nelle batterie al litio durante il ciclismo, possiamo riassumere gli effetti di queste reazioni in tre principali scenari di degrado della batteria e osservare l'impatto di...

Esaminando le reazioni negative che si verificano nelle batterie al litio durante il ciclo, possiamo riassumere gli effetti di queste reazioni in tre principali scenari di degrado della batteria e osservare l'impatto degli elettroliti solidi sui fenomeni di degrado.

 

1. Perdita di capacità della batteria al litio liquido

 

Durante il ciclo, a causa dell'espansione o della contrazione del volume degli elettrodi positivi e negativi, la pellicola SEI subirà la fissione e continuerà a crescere. Il processo di crescita del film SEI consumerà litio attivo, con conseguente diminuzione della capacità complessiva della batteria e aumento della resistenza interna; inoltre, durante la carica, l'elettrodo positivo si trova in uno stato altamente ossidato ed è probabile che si verifichi la transizione di fase di riduzione. I metalli di transizione nella struttura, come gli ioni di cobalto, precipitano nell'elettrolita e si diffondono all'elettrodo negativo, catalizzando l'ulteriore crescita del film SEI, con conseguente consumo di litio attivo. Allo stesso tempo, a causa della struttura dell'elettrodo positivo Quando l'elettrodo negativo è danneggiato, il potenziale dell'elettrodo negativo si abbassa durante la carica e Li+ si diffonde dall'elettrodo positivo e si intercala nell'elettrodo negativo. Quando la temperatura è troppo bassa o la corrente di carica è troppo alta, la velocità di intercalazione del litio metallico viene ridotta e viene precipitata direttamente dall'elettrodo negativo. In superficie, l'effetto di polarizzazione è più grave. Oltre a causare la perdita di litio attivo e aumentare la resistenza interna, formerà anche fatali dendriti di litio, che a lungo andare causeranno cortocircuiti interni.

 

Teoricamente, gli ioni stessi non si muovono quando la batteria a stato solido funziona, quindi le reazioni irreversibili saranno ridotte. Se viene utilizzato un elettrolita a stato solido elettrochimicamente stabile con il litio, è possibile rallentare anche problemi come SEI e degradazione dell'elettrolita, il che può ridurre efficacemente il consumo di ioni di litio durante la carica e la scarica. L'entità del declino della capacità può ridurre o inibire la generazione di dendriti di litio. Ad esempio, l'ossido di zirconio e lantanio di litio (LLZO) con una struttura a granato negli elettroliti di ossido ha un'eccellente stabilità chimica, mentre gli elettroliti polimerici solidi sono ancora È composto da sale di litio e matrice polimerica, quindi la sua stabilità chimica non è molto diversa da quella del liquido elettroliti polimerici.

 

2. Espansione del volume della batteria al litio liquido

 

L'aumento di volume è dovuto principalmente all'elevato stato di ossidazione dell'elettrodo positivo durante la carica. L'ossigeno libero nel reticolo cristallino è facile da precipitare e quindi si ossida con l'elettrolita per generare anidride carbonica e ossigeno, che gradualmente causano rigonfiamenti durante i cicli di carica e scarica. La decomposizione dell'elettrolita viene accelerata quando la tensione è superiore a 4,35 V (sistema ternario) o in un ambiente ad alta temperatura, con conseguente espansione continua della cella della batteria, che influenzerà almeno la configurazione dei componenti nel dispositivo e causerà danneggiare la struttura della cella della batteria e causare incendi ed esplosioni.

 

L'elettrolita solido non è facile da ossidare con l'elettrodo positivo a causa della suddetta stabilità chimica, che può rallentare la velocità di decomposizione e gassificazione dell'elettrolita e ridurre notevolmente il grado di espansione del volume. Inoltre, l'elettrolita solido può sopportare tensioni superiori a 5 V senza decomposizione, in modo che la tecnologia della serie interna non sia più fuori portata. Infatti, l'aumento della tensione della singola cella può far risparmiare parte del BMS e dello shunt e migliorare notevolmente la densità energetica e il costo del modulo. Ha già attratto Nissan e altre società a investire in ricerca e sviluppo per più di dieci anni, ma non è stata in grado di superare il problema della decomposizione degli elettroliti ad alta pressione.

 

3. Fuga termica della batteria al litio liquido

 

La fuga termica è il rischio più dannoso e imprevedibile delle batterie al litio. Quando il nucleo della batteria viene danneggiato da una forza esterna e provoca un cortocircuito o un cortocircuito interno o un sovraccarico, la temperatura all'interno del nucleo della batteria aumenterà di conseguenza. Una volta che sale a 130 ° C, il film SEI inizia a disintegrarsi e fa sì che l'elettrolita organico entri direttamente in contatto con gli elettrodi positivi e negativi altamente attivi, quindi si verifica un gran numero di reazioni di decomposizione e esotermiche, con conseguente rapido aumento della temperatura e la pressione interna, e viene generata una grande quantità di gas per provocare una rapida espansione della batteria. Dopo aver raggiunto la temperatura critica, l'elettrodo positivo si disintegra, rilasciando più energia termica e ossigeno, e la sovrapposizione di molti fattori provoca l'intensificazione della reazione a catena di riscaldamento, decomposizione e rilascio di calore, e infine si accende ed esplode.

 

Se l'elettrolita polimerico e il separatore, che originariamente iniziavano a generare una grande quantità di gas infiammabile e calore a circa 150°C, vengono sostituiti con un elettrolita solido che vaporizza lentamente ad alte temperature e non è infiammabile, la reazione a catena di fuga termica può essere bloccato. Evitare incendi ed esplosioni è come prelevare lo stipendio dal fondo del piatto. Tuttavia, esiste un grande divario nella stabilità termica dei diversi sistemi elettrolitici. Ad esempio, il punto di accensione degli elettroliti ceramici di ossido è superiore a 1.000 gradi, il che può bloccare completamente le reazioni di fuga termica; ed elettroliti polimerici solidi Inizierà a disintegrarsi a circa 280°C e ha la peggiore stabilità termica. Finora, non è stato registrato alcun test di batterie ai polimeri solidi che mantengano la stabilità sopra i 300°C.

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