Wpływ zawartości wilgoci na wydajność baterii

Na działanie baterii litowych wpływa wiele czynników, takich jak rodzaj materiału, gęstość zagęszczenia elektrod dodatnich i ujemnych, wilgotność, gęstość powierzchni powłoki i ilość elektrolitu. Wśród nich wilgoć ma istotny wpływ na działanie akumulatorów litowo-jonowych. Wilgoć jest kluczowym czynnikiem, który należy ściśle kontrolować podczas procesu produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Nadmierna wilgoć może nie tylko spowodować rozkład soli litu w elektrolicie i spowodować uszkodzenie materiałów dodatnich i ujemnych.Kolektor prądu ma pewne działanie korozyjne i niszczące, a także prowadzi do spadku wydajności cyklu i bezpieczeństwa baterii. Jednak śladowe ilości wilgoci mają istotne znaczenie. Poniżej opisano wpływ wilgoci na działanie baterii litowych.

1. Wady nadmiernej wilgoci

W procesie produkcji trójskładnikowej / grafitowej baterii układu, do przygotowania zawiesiny elektrody dodatniej stosuje się na ogół układ dyspersyjny na bazie oleju, wykorzystujący PVDF jako spoiwo i NMP jako rozpuszczalnik. Kiedy PVDF napotka nadmierną wilgoć, utworzy galaretowatą substancję, powodując słabą płynność i wyrównanie zawiesiny, co nie sprzyja powlekaniu zawiesiny. Dlatego przy przygotowywaniu gnojowicy należy zwrócić uwagę na wilgotność surowców, środowisko pracy i zawilgocenie podczas pracy personelu.

Oprócz dużego wpływu na przygotowanie zawiesiny baterii litowej, nadmierna wilgoć spowoduje rozkład elektrolitu. Odpowiedź jest następująca:

Kwas fluorowodorowy jest kwasem szczególnie żrącym, który może powodować poważne uszkodzenia materiałów elektrod dodatnich i ujemnych oraz kolektorów prądu baterii litowych, a ostatecznie prowadzić do problemów z bezpieczeństwem baterii.

2. Znaczenie śladowej ilości wody

Jednak nie jest tak, że im mniej wody, tym lepiej w bateriach litowych. Jak wszyscy wiemy, interfejs stałego elektrolitu (powszechnie znany jako membrana SEI) jest selektywną membraną przepuszczalną, która umożliwia swobodny przepływ Li +, ale cząsteczki elektrolitu nie mogą przez nie przechodzić. Skład elektrolitu i dodatków śladowych ma istotny wpływ na potencjał tworzenia się filmu SEI, stopień zwartości, nieodwracalną utratę pojemności akumulatora oraz rezystancję wewnętrzną akumulatora. Woda, jako śladowy składnik elektrolitu, ma pewien wpływ na tworzenie się filmu SEI i wydajność akumulatorów litowo-jonowych.

Po trzecie, wpływ wilgoci na działanie baterii litowych

W różnych systemach materiałowych zawartość wilgoci ma duży wpływ na wydajność baterii. Jednak to, co pozostaje niezmienione, to fakt, że wilgoć wpływa na pojemność pierwszego ładowania i rozładowania, rezystancję wewnętrzną, żywotność baterii i pojemność baterii litowych. Jako przykład weźmy akumulator litowo-kobaltowo-grafitowy.

1. Wpływ na pojemność pierwszego ładowania i rozładowania

Wilgoć jest związana z tworzeniem się SEI w bateriach litowych i nieuchronnie wpłynie na pierwszą nieodwracalną utratę pojemności baterii litowych. Jak pokazano na rysunku 1:

Rysunek 1. Wpływ wilgotności na ładowanie i zdolność rozładowywania akumulatora

Gdy wilgotność akumulatora jest mniejsza niż 0,015%, pierwsza pojemność rozładowania akumulatora spełnia normę krajową, a zmiana jest niewielka; gdy wilgotność akumulatora mieści się w zakresie od 0,015% do 0,04%, pierwsza pojemność rozładowania akumulatora maleje wraz ze wzrostem wilgotności akumulatora. Gdy zawartość wilgoci w akumulatorze jest mniejsza niż 0,015%, dominują następujące reakcje.

Węglan alkilu litu wytwarzany w procesie jednoelektronowej redukcji może również reagować ze śladową ilością wody w elektrolicie, tworząc węglan litu.

2ROCO2 Li {{2}} H2O → Li2CO3 +CO2 +2ROH

Kiedy CO2 jest generowany, nowa reakcja chemiczna zachodzi na powierzchni elektrody ujemnej przy niskim potencjale:

2CO2+2Li+ +2e → Li2CO3 +CO

Można zauważyć, że odpowiednia ilość wody pomoże uformować stabilny, jednolity i gęsty film SEI zdominowany przez Li2CO3. Gdy folia SEI całkowicie pokryje elektrodę ujemną, nieodwracalna reakcja natychmiast ustaje.

Gdy zawartość wilgoci mieści się w przedziale od 0,0150% do 0,04%, zwiększa się zużycie jonów litu, a pojemność ładowania i rozładowania akumulatora maleje, co ma na to negatywny wpływ.

2. Wpływ na opór wewnętrzny baterii

Rezystancja wewnętrzna baterii jest jednym z najważniejszych parametrów charakterystycznych baterii. Jest to ważny parametr charakteryzujący cykl życia i stan pracy baterii, a także główny wskaźnik trudności transportu jonów i elektronów w baterii. Na rezystancję wewnętrzną wpływają głównie takie czynniki, jak materiały baterii, procesy produkcyjne i konstrukcja baterii. Im mniejszy opór wewnętrzny, tym mniejsze napięcie zajmowane podczas rozładowywania akumulatora i tym więcej energii może on wyprowadzić. W przypadku akumulatorów przechowywanych przez długi czas, rezystancja wewnętrzna będzie rosła wraz ze wzrostem czasu przechowywania, a wydajność akumulatora będzie znacznie zmniejszona, gdy rezystancja wewnętrzna przekroczy określoną wartość. Ponieważ zawartość wilgoci ma wpływ na jakość folii SEI w baterii litowej, wprowadzenie wpływa na wewnętrzną rezystancję baterii.

W układzie rozpuszczalników elektrolitów EC / DMC / EMC śladowe ilości wody mogą tworzyć stabilną, jednorodną i gęstą warstwę SEI na bazie Li2CO3 o niskim oporze wewnętrznym. Gdy zawartość wilgoci jest większa niż wymagana w układzie do utworzenia folii SE I, POF3 i LiF wytrącają się na powierzchni folii SEI, powodując wzrost rezystancji wewnętrznej akumulatora. jak pokazano na rysunku 2:

Rysunek 2. Wpływ wilgoci na rezystancję wewnętrzną baterii

3. Wpływ na spadek pojemności baterii

Zawartość wilgoci wpływa na właściwości folii SEI baterii, takie jak jednorodność i zwartość. Gdy warstewka SE I jest jednorodna i gęsta, rozpuszczalnik elektrolitu nie jest łatwy do osadzenia w elektrodzie ujemnej, zajmując wakat do wstawiania Li +, więc spadek pojemności jest niewielki. Wręcz przeciwnie, gdy część warstwy SEI nie jest gęsta lub jednorodna, stosunkowo łatwo jest zajęte przez rozpuszczalnik elektrolitowy wolne miejsca do wstawiania Li +. Li2CO3 jest najważniejszym składnikiem tworzącym jednolitą i gęstą folię SEI. W układzie rozpuszczalników elektrolitów EC / DMC / EMC odpowiednia ilość wody może sprzyjać tworzeniu się filmu SEI na bazie Li2CO3. Kiedy zawartość wilgoci jest wystarczająca lub nadmierna, tworzy się SEI. Im gęstsza i jednorodna powłoka, tym mniejsze prawdopodobieństwo osadzenia rozpuszczalnika w anodzie węglowej. Jest to powód, dla którego tłumienie pojemności akumulatora stopniowo maleje wraz ze wzrostem zawartości wilgoci, gdy wilgotność mieści się w zakresie od 0,015% do 0,04%. Gdy zawartość wilgoci jest mniejsza niż 0,015%, na powierzchni elektrody ujemnej tworzy się gęstsza błona SEI, aby utrzymać osadzony rozpuszczalnik w stanie równowagi. Dlatego zanik pojemności akumulatora jest utrzymywany w stosunkowo stabilnym stanie.

Rysunek 3. Wpływ zawartości wilgoci na tempo spadku pojemności baterii

4. Wpływ na grubość baterii

Rysunek 4. Wpływ wilgotności na grubość baterii

Na rysunku widać, że wraz ze wzrostem zawartości wilgoci zwiększa się również grubość baterii. Kiedy zawartość wilgoci wynika z CO2, CO i innych gazów powstających podczas tworzenia filmu SEI. A kiedy woda jest zbyt duża, nadmiar wody będzie nadal reagował z LiPF6, wytwarzając gaz HF. Wewnętrzna produkcja gazu w akumulatorze ma związek z bezpieczeństwem akumulatora. Aby uniknąć poważnych problemów z wzdęciami akumulatora, należy ściśle kontrolować wodę w akumulatorze.

Bibliografia:

[1] Do ron Aurbach, Yair E in-El.i JE lectrochem Soc [J], 1995, 142 (6): 1746

[2] HUANG Feng (黄 峰), ZHOU Yun-Hong (周运鸿). Bateria B imonthly (bateria) [J], 2001, 31 (6): 290

[3] Zhang Hailin, He Xiangyun, Li Yan i in. Wpływ wilgoci elektrody na działanie baterii litowo-jonowych ［J］. Przemysł akumulatorowy, 2013, 18 (1/2): 44-46.