Untersuchung der drei Hauptfehlerphänomene von Flüssig-Lithium-Batterien und wie kann Solid-State Batt

Durch die Untersuchung der negativen Reaktionen, die in Lithiumbatterien während der Zyklen auftreten, können wir die Auswirkungen dieser Reaktionen in drei Hauptszenarien der Batterieverschlechterung zusammenfassen und den Einfluss von Festelektrolyten auf die Abbauphänomene beobachten.

1. Kapazitätsverlust der Flüssiglithiumbatterie

Während des Zyklus wird der SEI-Film aufgrund der Volumenausdehnung oder -kontraktion der positiven und negativen Elektroden gespalten und wächst weiter. Der Wachstumsprozess des SEI-Films verbraucht aktives Lithium, was zu einer Verringerung der Gesamtkapazität der Batterie und einem Anstieg des Innenwiderstands führt; außerdem befindet sich die positive Elektrode beim Laden in einem stark oxidierten Zustand, und es besteht die Tendenz, dass der Reduktionsphasenübergang auftritt. Die Übergangsmetalle im Gerüst, wie Kobaltionen, präzipitieren in den Elektrolyten und diffundieren zur negativen Elektrode, wodurch das weitere Wachstum des SEI-Films katalysiert wird, was zum Verbrauch von aktivem Lithium führt. Gleichzeitig wird aufgrund der Struktur der positiven Elektrode, wenn die negative Elektrode beschädigt wird, das Potential der negativen Elektrode während des Ladens niedriger und Li+ diffundiert von der positiven Elektrode und interkaliert in die negative Elektrode. Wenn die Temperatur zu niedrig oder der Ladestrom zu hoch ist, wird die Interkalationsgeschwindigkeit von metallischem Lithium verringert und es wird direkt aus der negativen Elektrode ausgefällt. An der Oberfläche ist der Polarisationseffekt stärker. Neben dem Verlust von aktivem Lithium und der Erhöhung des Innenwiderstands wird es auch fatale Lithiumdendriten bilden, die auf lange Sicht interne Kurzschlüsse verursachen werden.

Theoretisch bewegen sich die Ionen selbst nicht, wenn die Festkörperbatterie arbeitet, sodass die irreversiblen Reaktionen reduziert werden. Wird ein mit Lithium elektrochemisch stabiler Festkörperelektrolyt verwendet, können auch Probleme wie SEI und Elektrolytdegradation verlangsamt werden, was den Verbrauch von Lithium-Ionen beim Laden und Entladen effektiv reduzieren kann. Das Ausmaß des Kapazitätsabfalls kann die Erzeugung von Lithiumdendriten verringern oder hemmen. Beispielsweise weist Lithium-Lanthan-Zirkonium-Oxid (LLZO) mit Granatstruktur in Oxidelektrolyten eine hervorragende chemische Stabilität auf, während feste Polymerelektrolyte immer noch eine hervorragende chemische Stabilität aufweisen. Es besteht aus Lithiumsalz und einer Polymermatrix, sodass sich seine chemische Stabilität nicht wesentlich von der von Flüssigkeiten unterscheidet Polymerelektrolyte.

2. Volumenausdehnung einer Flüssiglithiumbatterie

Die Volumenzunahme ist hauptsächlich auf den hohen Oxidationszustand der positiven Elektrode während des Ladevorgangs zurückzuführen. Der freie Sauerstoff im Kristallgitter fällt leicht aus und oxidiert dann mit dem Elektrolyten, um Kohlendioxid und Sauerstoff zu erzeugen, die während Lade- und Entladezyklen allmählich ein Quellen verursachen. Die Zersetzung des Elektrolyten wird beschleunigt, wenn die Spannung höher als 4,35 V (ternäres System) oder in einer Hochtemperaturumgebung ist, was zu einer kontinuierlichen Ausdehnung der Batteriezelle führt, was die Konfiguration von Komponenten in dem Gerät zumindest beeinflusst und verursacht Schäden an der Struktur der Batteriezelle und Feuer und Explosion verursachen.

Der Festelektrolyt lässt sich aufgrund der oben genannten chemischen Stabilität nicht leicht mit der positiven Elektrode oxidieren, was die Geschwindigkeit der Elektrolytzersetzung und -vergasung verlangsamen und den Grad der Volumenausdehnung stark verringern kann. Zudem hält der Festelektrolyt Spannungen über 5V ohne Zersetzung stand, sodass die interne Serientechnik nicht mehr unerreichbar ist. Tatsächlich kann die Erhöhung der Einzelzellenspannung einen Teil des BMS und des Shunts einsparen und die Energiedichte und die Kosten des Moduls erheblich verbessern. Es hat Nissan und andere Unternehmen bereits seit mehr als zehn Jahren dazu gebracht, in Forschung und Entwicklung zu investieren, aber es war nicht in der Lage, das Problem der Elektrolytzersetzung unter hohem Druck zu lösen.

3. Thermisches Durchgehen einer Flüssiglithiumbatterie

Thermisches Durchgehen ist das schädlichste und unberechenbarste Risiko von Lithiumbatterien. Wenn der Batteriekern durch äußere Kraft beschädigt wird und einen Kurzschluss oder internen Kurzschluss oder eine Überladung verursacht, steigt die Temperatur im Inneren des Batteriekerns entsprechend an. Sobald es auf 130 ° C ansteigt, beginnt sich der SEI-Film aufzulösen und bewirkt, dass der organische Elektrolyt direkt mit den hochaktiven positiven und negativen Elektroden in Kontakt kommt, sodass eine große Anzahl von Zersetzungs- und exothermen Reaktionen auftreten, was zu einem schnellen Temperaturanstieg führt und Innendruck, und eine große Gasmenge wird erzeugt, um eine schnelle Expansion der Batterie zu bewirken. Nach Erreichen der kritischen Temperatur zerfällt die positive Elektrode, setzt mehr Wärmeenergie und Sauerstoff frei und durch die Überlagerung vieler Faktoren verstärkt sich die Kettenreaktion aus Erwärmung, Zersetzung und Wärmefreisetzung und entzündet sich schließlich und explodiert.

Wenn der Polymerelektrolyt und der Separator, die ursprünglich bei etwa 150°C begannen, eine große Menge an brennbarem Gas und Wärme zu entwickeln, durch einen Festelektrolyten ersetzt werden, der bei hohen Temperaturen langsam verdampft und nicht brennbar ist, beginnt die Kettenreaktion des thermischen Durchgehens blockiert werden. Brand- und Explosionsunfälle zu vermeiden, ist wie Gehalt vom Boden des Topfes zu ziehen. Allerdings gibt es eine große Lücke in der thermischen Stabilität verschiedener Elektrolytsysteme. Beispielsweise liegt der Zündpunkt von oxidkeramischen Elektrolyten über 1.000 Grad, was thermische Durchgehen-Reaktionen vollständig blockieren kann; und feste Polymerelektrolyte Es beginnt sich bei etwa 280°C zu zersetzen und hat die schlechteste thermische Stabilität. Bisher gab es keine Testaufzeichnung von Festpolymerbatterien, die über 300 °C stabil blieben.