Influenza del contenuto di umidità sulle prestazioni della batteria

Ci sono molti fattori che influenzano le prestazioni delle batterie al litio, come il tipo di materiale, la densità di compattazione degli elettrodi positivo e negativo, l'umidità, la densità della superficie del rivestimento e la quantità di elettrolita. Tra questi, l'umidità ha un'influenza vitale sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio. L'umidità è un fattore chiave che deve essere strettamente controllato durante il processo di produzione delle batterie agli ioni di litio. L'eccessiva umidità può non solo causare la decomposizione dei sali di litio nell'elettrolita e causare danni ai materiali positivi e negativi, il collettore di corrente ha un certo effetto corrosivo e distruttivo e porta anche a una diminuzione delle prestazioni del ciclo e delle prestazioni di sicurezza della batteria. Tuttavia, tracce di umidità hanno un significato importante. Di seguito viene descritto l'impatto dell'umidità sulle prestazioni delle batterie al litio.

1. Gli svantaggi dell'eccessiva umidità

Nel processo di produzione della batteria del sistema ternario / grafite, la preparazione della sospensione dell'elettrodo positivo utilizza generalmente un sistema di dispersione a base di olio, utilizzando PVDF come legante e NMP come solvente. Quando il PVDF incontra un'umidità eccessiva, formerà una sostanza gelatinosa, con conseguente scarsa fluidità e livellamento della sospensione, che non favorisce il rivestimento della sospensione. Pertanto, durante la preparazione del liquame, è necessario prestare attenzione al contenuto di umidità delle materie prime, all'ambiente di lavoro e all'introduzione di umidità durante il funzionamento del personale.

Oltre ad avere un enorme impatto sulla preparazione del liquame della batteria al litio, un'umidità eccessiva causerà la decomposizione dell'elettrolita. La risposta è la seguente:

L'acido fluoridrico è un acido particolarmente corrosivo, che può causare gravi danni ai materiali degli elettrodi positivi e negativi e ai collettori di corrente delle batterie al litio e, in ultima analisi, portare a problemi di sicurezza della batteria.

2. Il significato di tracce d'acqua

Tuttavia, non è che meno acqua sia migliore nelle batterie al litio. Come tutti sappiamo, l'interfaccia dell'elettrolita solido (comunemente nota come membrana SEI) è una membrana permeabile selettiva che consente al Li + di passare liberamente, ma le molecole dell'elettrolito non possono passare. La composizione dell'elettrolita e degli additivi in ​​tracce hanno un impatto significativo sul potenziale di formazione del film SEI, sul grado di compattezza, sulla perdita di capacità irreversibile della batteria e sulla resistenza interna della batteria. L'acqua, come componente in tracce nell'elettrolito, ha un certo impatto sulla formazione della pellicola SEI e sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio.

In terzo luogo, l'impatto dell'umidità sulle prestazioni delle batterie al litio

In diversi sistemi di materiali, il contenuto di umidità ha una grande influenza sulle prestazioni della batteria. Tuttavia, ciò che rimane invariato è che l'umidità influisce sulla capacità di prima carica e scarica, sulla resistenza interna, sulla durata del ciclo della batteria e sul volume della batteria delle batterie al litio. Prendiamo come esempio la batteria del sistema litio-cobalto / grafite.

1. Impatto sulla prima carica e capacità di scarica

L'umidità è correlata alla formazione di SEI nelle batterie al litio e influenzerà inevitabilmente la prima perdita irreversibile di capacità delle batterie al litio. Come mostrato nella Figura 1:

Figura 1. L'influenza del contenuto di umidità sulla carica della batteria e sulla capacità di scarica

Quando l'umidità nella batteria è inferiore allo 0,015%, la prima capacità di scarica della batteria soddisfa lo standard nazionale e la variazione è minima; quando l'umidità della batteria è compresa tra 0,015% e 0,04%, la capacità di prima scarica della batteria diminuisce all'aumentare dell'umidità nella batteria. Quando il contenuto di umidità nella batteria è inferiore allo 0,015%, prevalgono le seguenti reazioni.

Il litio alchil carbonato generato dal processo di riduzione a singolo elettrone può anche reagire con tracce di acqua nell'elettrolita per generare carbonato di litio.

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

Quando viene generata CO2, si verifica una nuova reazione chimica sulla superficie dell'elettrodo negativo a basso potenziale:

2CO2+2Li+ +2e → Li2CO3 +CO

Si può vedere che una quantità adeguata di acqua aiuterà a formare un film SEI stabile, uniforme e denso dominato da Li2CO3. Quando la pellicola SEI copre completamente l'elettrodo negativo, la reazione irreversibile si interrompe immediatamente.

Quando il contenuto di umidità è compreso tra 0,0150% e 0,04%, il consumo di ioni di litio aumenta e la capacità di carica e scarica della batteria diminuisce, il che ha un impatto negativo su di essa.

2. Impatto sulla resistenza interna della batteria

La resistenza interna della batteria è uno dei parametri caratteristici più importanti della batteria. È un parametro importante che caratterizza il ciclo di vita e lo stato di funzionamento della batteria, ed è il principale indicatore della difficoltà di trasporto di ioni ed elettroni nella batteria. La resistenza interna è influenzata principalmente da fattori quali i materiali della batteria, i processi di produzione e la struttura della batteria. Più piccola è la resistenza interna, minore è la tensione occupata quando la batteria è scarica e più energia può emettere. Per le batterie conservate a lungo, la resistenza interna aumenterà con l'aumento del tempo di conservazione e le prestazioni della batteria saranno notevolmente influenzate quando la resistenza interna supera un certo valore. Poiché il contenuto di umidità ha un impatto sulla qualità della pellicola SEI in una batteria al litio, l'introduzione influisce sulla resistenza interna della batteria.

Nel sistema di solventi elettrolitici EC / DMC / EMC, una quantità di acqua in tracce può formare un film SEI a base di Li2CO3, stabile, uniforme e denso con bassa resistenza interna. Quando il contenuto di umidità è superiore al contenuto richiesto dal sistema per formare il film SE I, POF3 e LiF precipitano sulla superficie del film SEI, determinando un aumento della resistenza interna della batteria. come mostrato in figura 2:

Figura 2. L'influenza del contenuto di umidità sulla resistenza interna della batteria

3. Impatto sulla degradazione della capacità della batteria

Il contenuto di umidità influisce sulle proprietà del film SEI della batteria, quali uniformità e compattezza. Quando la pellicola SE I è uniforme e densa, il solvente elettrolitico non è facile da incorporare nell'elettrodo negativo, occupando il posto vacante di inserzione Li +, quindi c'è poca degradazione della capacità. Al contrario, quando la parte della pellicola SEI non è densa o uniforme, è relativamente facile che i posti vacanti di inserzione di Li + siano occupati dal solvente elettrolitico. Li2CO3 è il componente più importante per formare un film SEI uniforme e denso. Nel sistema di solventi elettrolitici EC / DMC / EMC, una quantità adeguata di acqua può favorire la formazione di pellicola SEI a base di Li2CO3. Quando il contenuto di umidità è sufficiente o eccessivo, si forma il SEI. Più denso e uniforme è il film, minore è la probabilità che il solvente si anneghi nell'anodo di carbonio. Questo è il motivo per cui l'attenuazione della capacità della batteria diminuisce gradualmente con l'aumento del contenuto di umidità quando l'umidità è compresa tra 0,015% e 0,04%. Quando il contenuto di umidità è inferiore allo 0,015%, sulla superficie dell'elettrodo negativo si forma una pellicola SEI più densa per mantenere il solvente incorporato in uno stato di equilibrio. Pertanto, il decadimento della capacità della batteria viene mantenuto in uno stato relativamente stabile.

Figura 3. Influenza del contenuto di umidità sul tasso di decadimento della capacità della batteria

4. Impatto sullo spessore della batteria

Figura 4. Influenza del contenuto di umidità sullo spessore della batteria

Si può vedere dalla figura che all'aumentare del contenuto di umidità, aumenta anche lo spessore della batteria. Quando il contenuto di umidità è dovuto a CO2, CO e altri gas generati durante la formazione del film SEI. E quando l'acqua è eccessiva, l'acqua in eccesso continuerà a reagire con LiPF6 per produrre gas HF. La produzione interna di gas della batteria è correlata alla sicurezza della batteria. Per evitare gravi problemi di flatulenza nella batteria, l'acqua all'interno della batteria deve essere strettamente controllata.

Riferimenti:

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