I. Вступ
Літієві батареї, як важливий пристрій для зберігання енергії, широко застосовуються в сучасному суспільстві, наприклад, в електромобілях та портативних електронних пристроях. Однак літієві батареї можуть відчувати короткі схеми під час використання, які не тільки впливають на продуктивність акумулятора, але й можуть викликати серйозні проблеми безпеки, такі як пожежі та вибухи. Внутрішній опір є одним з ключових показників для вимірювання продуктивності літієвого акумулятора. Збільшення внутрішнього опору призводить до зменшення ємності розряду акумулятора, зменшення ємності та скорочення терміну служби. Тому вивчення причин збільшення внутрішньої резистентності літієвих акумуляторів під час коротких ланцюгів має важливе теоретичне та практичне значення.
Ii. Склад внутрішнього опору літієвого акумулятора
Внутрішній опір літієвого акумулятора в основному складається з Омічної стійкості та опір поляризації. Омічний опір включає опір самих електродів, опір розчину електроліту, опір, що виникає іонами, що проходять через мікропори сепаратора, та контактну опір між позитивними\/негативними електродами та сепаратором. Опір поляризації - це електропровідний опір, утворений за рахунок поляризації електродів під час зарядки акумулятора та розряду, включаючи електрохімічну поляризацію та поляризацію концентрації. Електрохімічна поляризація викликається млявістю електродних реакцій, тоді як поляризація концентрації викликається змінами концентрації іонів поблизу поверхні електрода.
Iii. Аналіз причин збільшення внутрішнього опору в літієвих акумуляторах під час коротких ланцюгів
(I) Корувальні причини на рівні матеріалу
1. Деградація позитивних та негативних активних матеріалів
Positive electrode materials (such as NCM, LFP) may experience a decrease in electronic conductivity due to the dissolution of transition metals or structural collapse. For example, during the long-term cycling of a battery, transition metal ions in the positive electrode material may dissolve into the electrolyte, leading to structural changes in the positive electrode material and a reduction in its electronic conductivity. Negative electrode graphite may increase lithium ion migration resistance due to the growth of lithium dendrites or an excessively thick SEI film (>100 нм). Зростання літієвих дендритів може пробити сепаратор, викликаючи коротке замикання акумулятора, тоді як надмірно товста плівка SEI може перешкоджати міграції іонів літій та підвищити внутрішній опір акумулятора.
2. Електролітні старіші та інтерфейс
Продукти розкладання електроліту (наприклад, Lif, li₂co₃) накопичуються на поверхні електрода, утворюючи інтерфейс інтерфейсу високого імпедансу. За умов високої температури або надмірної зарядки, в'язкість електроліту збільшується, а ефективність транспорту літій іонів знижується. Наприклад, коли акумулятор знаходиться у високотемпературному середовищі, в'язкість електроліту збільшується, а швидкість міграції іонів літію сповільнюється, що призводить до збільшення внутрішнього опору акумулятора.
3. КОЛЕКТОРНИЙ КОЛЕКТОР та деградація вкладок
Окислення або корозія алюмінієвої\/мідної фольги призводить до збільшення контактної резистентності (поширена в середовищах з високою відстороненням). Віртуальне зварювання точок зварювання вкладки або втоми матеріалу (наприклад, за умов вібрації) призводить до множення локальної стійкості. Під час використання акумулятора поточний колектор та вкладки можуть зазнавати окислення або корозії через фактори навколишнього середовища, що призводить до збільшення контактної стійкості. У той же час, віртуальне зварювання точок зварювання вкладки або втоми матеріалу також може підвищити локальну опір.
(Ii) Ефект суперпозиції дефектів процесу
1.Навени покриття електродів
Коливання щільності ареалу (± 5% або більше) призводять до нерівномірного розподілу струму та значного збільшення локальної стійкості до поляризації. Якщо покриття листів електродів є нерівномірним, це призведе до нерівномірного розподілу струму всередині акумулятора, причому певні ділянки мають надмірно високу щільність струму, тим самим спричиняючи збільшення локальної стійкості до поляризації.
2.Помилки в процесах укладання\/обмотки
Нестабільність листів електродів призводить до контакту Edge Burr, збільшуючи ризик мікросхротових ланцюгів та додаткового імпедансу. Під час виготовлення акумуляторів, якщо в процесі укладання або обмотки виникають помилки, це може спричинити нерівність електродів, що призводить до контакту з краю, збільшуючи ризик мікроскоротних ланцюгів та додаткового імпедансу.
3.Недостатня ін'єкція електролітів та змочування
Електроліт не повністю проникає в сепараторні пори (ступінь змочування <90%), блокуючи іонні канали. Якщо електроліт не повністю проникає на сепараторні пори, він блокує іонні канали, сповільнює швидкість міграції іонів літію та підвищить внутрішній опір акумулятора.
(Iii) Вплив середовища використання та умов експлуатації
1.Низькотемпературне середовище
Іонна провідність електроліту знижується більш ніж на 50%, і ОММІЧНА РОЗМІРА ТА ПОЛАРІЗАЦІЙНА РОЗДІЛУ збільшується. У низькотемпературному середовищі іонна провідність електроліту значно знижується, що призводить до збільшення омічної стійкості до акумулятора та стійкості до поляризації.
2.Висока зарядка та розрядження
Поляризація концентрації посилюється, платформа напруги руйнується, а ефективний внутрішній опір збільшується на 20% - 40%. Коли акумулятор зазнає високої зарядки та розряду, концентрація іонів поблизу поверхні електрода швидко змінюється, що призводить до посилення поляризації концентрації та збільшення ефективного внутрішнього опору акумулятора.
3.Довгострокове старіння на велосипеді
Сукупні ефекти, такі як втрату активної літію та зменшення пористості електрода, призводять до річного зростання внутрішнього опору, що перевищує 5%. Під час тривалого циклічного використання акумулятора активний літій поступово виснажує, а пористість електрода також зменшується. Ці кумулятивні ефекти призводять до річного зростання внутрішнього опору, що перевищує 5%.
(Iv) Місцевий перегрів та структурні пошкодження, спричинені короткими ланцюгами
1. Локальний перегрів
Великий струм, що утворюється під час короткого замикання, призводить до різкого підвищення локальної температури всередині акумулятора. Високі температури прискорюють деградацію внутрішніх матеріалів акумулятора, таких як розкладання електролітів та зміни структури електродів, що ще більше збільшують внутрішній опір. Наприклад, коли акумулятор відчуває коротке замикання, місце розташування короткого замикання генерує велику кількість тепла, внаслідок чого локальна температура піднімається та розкладає електроліти, утворюючи шар інтерфейсу високого імпедансу та збільшуючи внутрішній опір акумулятора.
2. Структурна шкода
Величезний струм та тепло, що утворюється під час короткого замикання, можуть призвести до пошкодження конструкції всередині акумулятора, наприклад, розтоплення сепаратора та деформація матеріалу електрода. Ці структурні пошкодження безпосередньо впливають на іонні та електронічні транспортні канали акумулятора, що призводить до значного збільшення внутрішнього опору. Наприклад, висока температура, що утворюється під час короткого замикання, може розплавити сепаратор, викликаючи прямий контакт між позитивними та негативними електродами, утворюючи більший струм короткого замикання, а також пошкоджуючи структуру електродівних матеріалів, збільшуючи внутрішній опір акумулятора.
Iv. Висновок
Причини збільшення внутрішньої резистентності акумуляторів літію під час коротких ланцюгів є багатогранними, включаючи основні причини на рівні матеріалу, ефект суперпозиції процесів процесу, вплив середовища використання та умов експлуатації, а також локального перегріву та пошкодження структур, спричинених короткими ланцюгами. Ці фактори взаємодіють між собою, спільно призводять до збільшення внутрішньої стійкості у літієвих акумуляторах під час коротких схем. Розуміння цих причин має велике значення для проектування, виробництва, використання та обслуговування літієвих акумуляторів. На етапі проектування акумулятора слід вибрати відповідні матеріали та оптимізовані параметри обробки для зменшення внутрішнього опору акумулятора. Під час використання акумулятора акумулятор слід утримувати подалі від суворих середовищ використання, таких як високі температури, низькі температури та високу вологість, а також швидкість зарядки та розрядження акумулятора слід розумно контролювати для продовження терміну служби акумулятора та забезпечення безпеки акумулятора. У той же час, для акумуляторів, які вже пережили коротке замикання, своєчасне лікування слід проводити, щоб уникнути більш серйозних проблем безпеки. Майбутні дослідження повинні додатково заглибитися в механізм збільшення внутрішнього опору в літієвих акумуляторах під час коротких схем та розробити більш ефективні технології управління акумуляторами та захист для підвищення продуктивності та безпеки літію.