Bị ảnh hưởng bởi độ nóng của thị trường xe điện,pin lithium-ion, là một trong những thành phần cốt lõi của xe điện, đã được nhấn mạnh rất nhiều.Mọi người cam kết phát triển pin lithium-ion có tuổi thọ cao, công suất cao, an toàn tốt.Trong đó, sự suy giảm củapin lithium-ionnăng lực rất đáng được mọi người quan tâm, chỉ có sự hiểu biết đầy đủ về nguyên nhân suy giảm của pin lithium-ion hoặc cơ chế thì mới có thể kê đơn thuốc phù hợp để giải quyết vấn đề, rằng dung lượng pin lithium-ion tại sao lại suy giảm?
Nguyên nhân suy giảm dung lượng của pin lithium-ion
1. Vật liệu điện cực dương
LiCoO2 là một trong những vật liệu catốt được sử dụng phổ biến (loại 3C được sử dụng rộng rãi và pin điện về cơ bản mang ternary và lithium iron phosphate).Khi số chu kỳ tăng lên, sự mất đi các ion lithium hoạt động góp phần làm suy giảm công suất nhiều hơn.Sau 200 chu kỳ, LiCoO2 không trải qua quá trình chuyển pha mà thay đổi cấu trúc dạng tấm, dẫn đến khó khăn trong việc khử Li+.
LiFePO4 có độ ổn định cấu trúc tốt, nhưng Fe3+ trong cực dương hòa tan và khử thành kim loại Fe trên cực dương than chì, dẫn đến độ phân cực cực dương tăng lên.Nói chung, sự hòa tan Fe3+ được ngăn chặn bằng cách phủ các hạt LiFePO4 hoặc lựa chọn chất điện phân.
Vật liệu ternary NCM ① Các ion kim loại chuyển tiếp trong vật liệu catốt oxit kim loại chuyển tiếp dễ hòa tan ở nhiệt độ cao, do đó giải phóng trong chất điện phân hoặc lắng đọng ở phía âm gây suy giảm điện dung;② Khi điện áp cao hơn 4,4V so với Li+/Li, sự thay đổi cấu trúc của vật liệu bậc ba dẫn đến suy giảm công suất;③ Các hàng hỗn hợp Li-Ni dẫn đến tắc nghẽn các kênh Li+.
Nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm công suất trong pin lithium-ion dựa trên LiMnO4 là 1. những thay đổi về cấu trúc hoặc pha không thể đảo ngược, chẳng hạn như quang sai Jahn-Teller;và 2. sự hòa tan Mn trong chất điện phân (sự hiện diện của HF trong chất điện phân), phản ứng không cân xứng hoặc sự khử ở cực dương.
2. Vật liệu điện cực âm
Sự tạo ra kết tủa lithium ở phía cực dương của than chì (một phần lithium trở thành "lithium chết" hoặc tạo ra đuôi gai lithium), ở nhiệt độ thấp, quá trình khuếch tán ion lithium chậm lại dễ dẫn đến kết tủa lithium và kết tủa lithium cũng dễ xảy ra khi tỷ lệ N/P quá thấp.
Sự phá hủy và phát triển liên tục của màng SEI ở phía cực dương dẫn đến sự suy giảm lithium và tăng độ phân cực.
Quá trình lặp đi lặp lại của việc nhúng/loại bỏ lithium trong cực dương dựa trên silicon có thể dễ dàng dẫn đến sự giãn nở thể tích và hỏng vết nứt của các hạt silicon.Do đó, đối với cực dương silicon, điều đặc biệt quan trọng là tìm cách hạn chế sự giãn nở thể tích của nó.
3. Chất điện giải
Các yếu tố trong chất điện phân góp phần làm giảm khả năng củapin lithium-ionbao gồm:
1. Sự phân hủy dung môi và chất điện phân (hư hỏng nghiêm trọng hoặc vấn đề an toàn như sản xuất khí), đối với dung môi hữu cơ, khi thế oxy hóa lớn hơn 5V so với Li+/Li hoặc khả năng khử thấp hơn 0,8V (điện áp phân hủy chất điện phân khác nhau là khác nhau), dễ phân hủy.Đối với chất điện phân (ví dụ LiPF6) dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hơn (trên 55oC) do độ ổn định kém;.
2. Khi số chu kỳ tăng lên, phản ứng giữa chất điện phân với các điện cực dương và âm tăng lên, làm cho khả năng truyền khối yếu đi.
4. Cơ hoành
Cơ hoành có thể chặn các electron và thực hiện việc truyền ion.Tuy nhiên, khả năng vận chuyển Li+ của màng ngăn bị giảm khi lỗ màng bị tắc nghẽn bởi các sản phẩm phân hủy của chất điện phân, v.v. hoặc khi màng ngăn co lại ở nhiệt độ cao hoặc khi màng ngăn bị lão hóa.Ngoài ra, sự hình thành các sợi nhánh lithium xuyên qua màng ngăn dẫn đến đoản mạch bên trong là nguyên nhân chính khiến nó bị hỏng.
5. Thu thập chất lỏng
Nguyên nhân gây mất công suất do bộ thu thường là do bộ thu bị ăn mòn.Đồng được sử dụng làm chất thu âm vì nó dễ bị oxy hóa ở điện thế cao, trong khi nhôm được sử dụng làm chất thu dương vì dễ tạo thành hợp kim nhôm-liti với lithium ở điện thế thấp.Dưới điện áp thấp (thấp từ 1,5V trở xuống, phóng điện quá mức), đồng sẽ oxy hóa thành Cu2+ trong chất điện phân và lắng đọng trên bề mặt điện cực âm, cản trở quá trình tách lithium, dẫn đến suy giảm công suất.Và về mặt tích cực, việc sạc quá mứcắc quygây ra hiện tượng rỗ bộ thu nhôm, dẫn đến tăng điện trở trong và suy giảm công suất.
6. Hệ số tích điện và phóng điện
Hệ số nhân sạc và xả quá mức có thể dẫn đến suy giảm dung lượng nhanh hơn của pin lithium-ion.Việc tăng hệ số sạc/xả có nghĩa là trở kháng phân cực của pin cũng tăng theo, dẫn đến công suất giảm.Ngoài ra, ứng suất do khuếch tán gây ra do sạc và xả ở tốc độ nhân lên cao dẫn đến mất vật liệu hoạt động ở cực âm và khiến pin bị lão hóa nhanh hơn.
Trong trường hợp pin sạc quá mức và xả quá mức, điện cực âm dễ bị kết tủa lithium, cơ chế loại bỏ lithium quá mức ở điện cực dương bị sập và quá trình phân hủy oxy hóa của chất điện phân (xuất hiện sản phẩm phụ và sản xuất khí) được đẩy nhanh.Khi pin xả quá mức, lá đồng có xu hướng hòa tan (cản trở quá trình tách lithium hoặc trực tiếp tạo ra các sợi nhánh đồng), dẫn đến suy giảm dung lượng hoặc hỏng pin.
Các nghiên cứu về chiến lược sạc đã chỉ ra rằng khi điện áp cắt sạc là 4V, việc giảm điện áp cắt sạc một cách thích hợp (ví dụ: 3,95V) có thể cải thiện tuổi thọ chu kỳ của pin.Người ta cũng đã chứng minh rằng việc sạc nhanh pin đến 100% SOC sẽ giảm nhanh hơn so với sạc nhanh đến 80% SOC.Ngoài ra, Li và cộng sự.nhận thấy rằng mặc dù xung có thể cải thiện hiệu quả sạc, nhưng điện trở trong của pin sẽ tăng lên đáng kể và việc mất vật liệu hoạt động điện cực âm là nghiêm trọng.
7. Nhiệt độ
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến công suấtpin lithium-ioncũng rất quan trọng.Khi hoạt động ở nhiệt độ cao hơn trong thời gian dài, các phản ứng phụ bên trong pin sẽ tăng lên (ví dụ: phân hủy chất điện phân), dẫn đến mất công suất không thể phục hồi.Khi hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn trong thời gian dài, tổng trở kháng của pin tăng lên (độ dẫn điện giảm, trở kháng SEI tăng và tốc độ phản ứng điện hóa giảm) và dễ xảy ra hiện tượng kết tủa lithium từ pin.
Trên đây là nguyên nhân chính khiến dung lượng pin lithium-ion bị suy giảm, qua phần giới thiệu ở trên tôi tin rằng các bạn đã hiểu rõ về nguyên nhân khiến dung lượng pin lithium-ion bị suy giảm.
Thời gian đăng: 24-07-2023