I. Ievads
Litija baterijas kā svarīga enerģijas uzglabāšanas ierīce ir plaši izmantotas mūsdienu sabiedrībā, piemēram, elektriskos transportlīdzekļos un pārnēsājamās elektroniskās ierīces. Tomēr litija baterijām lietošanas laikā var rasties īslaicīgas ķēdes, kas ne tikai ietekmē akumulatora veiktspēju, bet arī var izraisīt nopietnas drošības problēmas, piemēram, ugunsgrēkus un sprādzienus. Iekšējā pretestība ir viens no galvenajiem rādītājiem litija akumulatora veiktspējas mērīšanai. Iekšējās pretestības palielināšanās noved pie akumulatora izlādes jaudas samazināšanās, jaudas samazināšanās un saīsināts kalpošanas laiks. Tāpēc, izpētot litija bateriju iekšējās pretestības cēloņus īsās ķēdes laikā, ir svarīga teorētiskā un praktiskā nozīme.
II. Litija akumulatora iekšējās pretestības sastāvs
Litija akumulatora iekšējā pretestība galvenokārt sastāv no omiskās pretestības un polarizācijas pretestības. Ohmiskā pretestība ietver pašu elektrodu pretestību, elektrolītu šķīduma pretestību, pretestību, ko saskaras ar joniem, kas iet caur separatora mikroporām, un kontakta pretestību starp pozitīvajiem\/negatīvajiem elektrodiem un atdalītāju. Polarizācijas pretestība ir vadošā pretestība, kas veidojas elektrodu polarizācijas dēļ akumulatora uzlādes un izlādes laikā, ieskaitot elektroķīmisko polarizāciju un koncentrācijas polarizāciju. Elektroķīmisko polarizāciju izraisa elektrodu reakciju lēns, savukārt koncentrācijas polarizāciju izraisa jonu koncentrācijas izmaiņas netālu no elektrodu virsmas.
III. Iekšējās pretestības palielināšanās litija bateriju palielināšanās analīze īsās ķēdes laikā
I) materiāla līmeņa pamatcēloņi
1. Pozitīvo un negatīvo aktīvo materiālu sadalīšana
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 nm). Litija dendrītu augšana var caurdurt atdalītāju, izraisot akumulatora īssavienojumu, savukārt pārmērīgi bieza SEI plēve var kavēt litija jonu migrāciju un palielināt akumulatora iekšējo pretestību.
2.Elektrolītu novecošanās un interfeisa problēmas
Elektrolītu sadalīšanās produkti (piemēram, LIF, Li₂co₃) uzkrājas uz elektrodu virsmas, veidojot augstas izturības saskarnes slāni. Augstas temperatūras vai pārmērīgas uzlādes apstākļos palielinās elektrolītu viskozitāte, un litija jonu transporta efektivitāte samazinās. Piemēram, ja akumulators atrodas augstas temperatūras vidē, palielinās elektrolīta viskozitāte, un litija jonu migrācijas ātrums palēninās, izraisot akumulatora iekšējās pretestības palielināšanos.
3. Pašreizēja kolekcionārs un cilnes degradācija
Alumīnija\/vara folijas oksidēšana vai korozija noved pie kontakta izturības palielināšanās (bieži vien augsta līmeņa vidē). Taba metināšanas punktu vai materiāla noguruma (piemēram, vibrācijas apstākļos) virtuālā metināšana izraisa vietējo pretestību reizināšanai. Akumulatora lietošanas laikā pašreizējais kolekcionārs un cilnes var iziet oksidēt vai koroziju vides faktoru dēļ, kā rezultātā palielinās kontakta pretestība. Tajā pašā laikā cilnes metināšanas punktu vai materiāla noguruma virtuālā metināšana var arī palielināt vietējo pretestību.
Ii) procesa defektu superpozīcijas ietekme
1.Pārvaldes elektrodu lapu pārklājums
Treāla blīvuma svārstības (± 5% vai vairāk) izraisa nevienmērīgu strāvas sadalījumu un ievērojamu vietējās polarizācijas pretestības palielināšanos. Ja elektrodu lapu pārklājums ir nevienmērīgs, tas izraisīs nevienmērīgu strāvas sadalījumu akumulatora iekšpusē, un dažiem apgabaliem ir pārmērīgi augsts strāvas blīvums, tādējādi palielinot vietējās polarizācijas pretestības palielināšanos.
2.Kļūdas sakraušanas\/tinuma procesos
Elektrodu loksņu nepareiza izvietošana noved pie malas saskares, palielinot mikrokortu ķēžu un papildu pretestības risku. Akumulatora ražošanas laikā, ja kraušanas vai tinuma procesā ir kļūdas, tas var izraisīt elektrodu loksņu nepareizu izlīdzināšanu, izraisot malu saskari, palielinot mikrokortu ķēžu un papildu pretestības risku.
3.Nepietiekama elektrolītu injekcija un mitrināšana
Elektrolīts pilnībā neiekļūst separatora porās (mitrināšanas pakāpe <90%), bloķējot jonu kanālus. Ja elektrolīts pilnībā neiekļūst separatora porās, tas bloķēs jonu kanālus, palēninās litija jonu migrācijas ātrumu un palielinās akumulatora iekšējo pretestību.
(Iii) Lietošanas vides un darbības apstākļu ietekme
1.Zemas temperatūras vide
Elektrolīta jonu vadītspēja samazinās par vairāk nekā 50%, un palielinās gan omiskā pretestība, gan polarizācijas pretestība. Zema temperatūras vidē elektrolīta jonu vadītspēja ievērojami samazinās, izraisot akumulatora omiskās pretestības un polarizācijas pretestības palielināšanos.
2.Augsta līmeņa uzlāde un izlāde
Koncentrācijas polarizācija pastiprinās, sabrūk sprieguma platforma, un efektīvā iekšējā pretestība palielinās par 20% - 40%. Kad akumulators tiek veikts ar augstu līmeni uzlādi un izlādēšanos, jonu koncentrācija netālu no elektrodu virsmas strauji mainās, izraisot pastiprinātu koncentrācijas polarizāciju un akumulatora efektīvās iekšējās pretestības palielināšanos.
3.Ilgstoša velosipēdu novecošanās
Kumulatīvā ietekme, piemēram, aktīvais litija zudums un elektrodu porainības samazināšanās, rada ikgadēju iekšējo pretestības augšanas ātrumu, kas pārsniedz 5%. Akumulatora ilgtermiņa lietošanas laikā ilgtermiņā aktīvais litijs pakāpeniski samazinās, un arī elektrodu porainība samazinās. Šī kumulatīvā ietekme noved pie iekšējās rezistences pieauguma ātruma, kas pārsniedz 5%.
(Iv) Vietējie pārkaršanas un strukturālie bojājumi, ko izraisa īssavienojums
1.Local pārkaršana
Lielā strāva, kas rodas īssavienojuma laikā, izraisa strauju vietējās temperatūras paaugstināšanos akumulatora iekšpusē. Augsta temperatūra paātrina akumulatora iekšējo materiālu sadalīšanos, piemēram, elektrolītu sadalīšanos un elektrodu materiāla struktūras izmaiņas, vēl vairāk palielinot iekšējo pretestību. Piemēram, kad akumulatoram ir īssavienojums, īssavienojuma atrašanās vieta rada lielu siltuma daudzumu, izraisot vietējās temperatūras paaugstināšanos un elektrolītu sadalīšanos, veidojot augstas izturības saskarnes slāni un palielinot akumulatora iekšējo pretestību.
2.Strukturāls bojājums
Milzīgā strāva un siltums, kas rodas īssavienojuma laikā, var izraisīt konstrukcijas bojājumus akumulatora iekšpusē, piemēram, separatora kausēšanu un elektrodu materiālu deformāciju. Šie konstrukcijas bojājumi tieši ietekmē akumulatora jonu un elektronu transporta kanālus, izraisot ievērojamu iekšējās pretestības palielināšanos. Piemēram, augstā temperatūra, kas rodas īssavienojuma laikā, var izkausēt separatoru, izraisot tiešu kontaktu starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem, veidojot lielāku īssavienojuma strāvu, kā arī sabojājot elektrodu materiālu struktūru, palielinot akumulatora iekšējo pretestību.
Iv. Secinājums
Iekšējās pretestības cēloņi litija bateriju palielināšanās īsās ķēdes laikā ir daudzšķautņaini, ieskaitot materiāla līmeņa pamatcēloņus, procesa defektu superpozīcijas efektu, lietošanas vides ietekmi un darbības apstākļus, kā arī vietējos pārkaršanas un strukturālos bojājumus, ko izraisa īssavienojums. Šie faktori mijiedarbojas viens ar otru, kolektīvi palielinot litija bateriju iekšējo pretestību īsās ķēžu laikā. Izpratne par šiem cēloņiem ir liela nozīme litija bateriju projektēšanā, ražošanā, izmantīšanā un uzturēšanā. Akumulatora projektēšanas posmā jāizvēlas atbilstoši materiāli un jāapstrādā parametri optimizēti, lai samazinātu akumulatora iekšējo pretestību. Akumulatora lietošanas laikā akumulators jāatstāj prom no skarbas lietošanas vides, piemēram, augstas temperatūras, zemas temperatūras un augsta mitruma, un akumulatora uzlādes un izlādes ātrums ir pamatoti jākontrolē, lai pagarinātu akumulatora ekspluatāciju un nodrošinātu akumulatora drošību. Tajā pašā laikā baterijām, kas jau ir piedzīvojušas īssavienojumu, jāveic savlaicīga apstrāde, lai izvairītos no nopietnāku drošības problēmu izraisīšanas. Turpmākajos pētījumos vajadzētu vēl vairāk iedziļināties litija bateriju iekšējās pretestības mehānismā īsās ķēdes laikā un jāizstrādā efektīvākas akumulatora pārvaldības un aizsardzības tehnoloģijas, lai uzlabotu litija akumulatora veiktspēju un drošību.