I. Uvod
Litijeve baterije, kao važan uređaj za skladištenje energije, široko su se primjenjivale u modernom društvu, poput električnih vozila i prijenosnih elektroničkih uređaja. Međutim, litijeve baterije mogu imati kratke spojeve tijekom uporabe, što ne samo da utječe na performanse baterije, već može pokrenuti i ozbiljna sigurnosna pitanja, poput požara i eksplozija. Unutarnji otpor jedan je od ključnih pokazatelja za mjerenje performansi litijske baterije. Povećanje unutarnjeg otpora dovodi do smanjenja kapaciteta pražnjenja baterije, smanjenja kapaciteta i skraćenog radnog vijeka. Stoga, proučavanje uzroka povećanja unutarnjeg otpora u litijevim baterijama tijekom kratkih spojeva ima važan teorijski i praktični značaj.
Ii. Sastav unutarnjeg otpora litijske baterije
Unutarnji otpor litijeve baterije uglavnom se sastoji od ohmičke otpornosti i otpornosti na polarizaciju. Ohmički otpor uključuje otpor samih elektroda, otpor otopine elektrolita, otpor na koji se susreću ioni koji prolaze kroz mikropore separatora i kontaktni otpor između pozitivnih\/negativnih elektroda i separatora. Polarizacijski otpor je vodljivi otpor nastao zbog polarizacije elektroda tijekom punjenja baterije i pražnjenja, uključujući elektrokemijsku polarizaciju i polarizaciju koncentracije. Elektrokemijska polarizacija uzrokovana je sporošću reakcija elektroda, dok je polarizacija koncentracije uzrokovana promjenama koncentracije iona u blizini površine elektrode.
Iii. Analiza uzroka povećanja unutarnjeg otpora u litijevim baterijama tijekom kratkih spojeva
(I) uzroci korijena na razini materijala
1. Degradiranje pozitivnih i negativnih aktivnih materijala
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). Rast litijevih dendrita može probiti separator, uzrokujući kratki spoj baterije, dok pretjerano debeli SEI film može ometati migraciju litija iona i povećati unutarnji otpor baterije.
2. Problemi starenja i sučeljaelektrolita
Proizvodi za raspadanje elektrolita (kao što su LIF, li₂co₃) akumuliraju se na površini elektrode, tvoreći sloj visoke impedance. U uvjetima visoke temperature ili prekomjernog naplate, viskoznost elektrolita povećava se, a učinkovitost transporta litij iona smanjuje se. Na primjer, kada se baterija nalazi u okruženju s visokim temperaturama, viskoznost elektrolita raste, a brzina migracije litij iona usporava, što dovodi do povećanja unutarnjeg otpora baterije.
3. Propadanje kolektora i Tab
Oksidacija ili korozija aluminijske\/bakrene folije dovodi do povećanja kontaktnog otpora (uobičajeno u okruženjima visoke humidnosti). Virtualno zavarivanje točaka zavarivanja ili umor materijala (kao što je u uvjetima vibracija) uzrokuje množenje lokalnog otpora. Tijekom upotrebe baterije, trenutni sakupljač i kartice mogu proći oksidaciju ili koroziju zbog okolišnih čimbenika, što dovodi do povećanja otpornosti na kontakt. Istodobno, virtualno zavarivanje točaka zavarivanja kartica ili umor materijala također može povećati lokalni otpor.
(Ii) Učinak oštećenja procesa superpozicije
1.UNEVENSI
Fluktuacije u gustoći arele (± 5% ili više) dovode do neravnomjerne raspodjele struje i značajnog povećanja lokalne otpornosti na polarizaciju. Ako je oblaganje listova elektroda neravan, to će rezultirati neravnomjernom raspodjelom struje unutar baterije, pri čemu će određena područja imati pretjerano velike gustoće struje, što uzrokuje povećanje lokalne otpornosti na polarizaciju.
2.Pogreške u procesima slaganja\/namotavanja
Neposredovanje listova elektroda dovodi do kontakta s rubom, povećavajući rizik od mikro-kratkih krugova i dodatne impedance. Tijekom proizvodnje baterije, ako postoje pogreške u procesu slaganja ili namotavanja, to može uzrokovati neusklađivanje listova elektroda, što dovodi do kontakta s rubom, povećavajući rizik od mikro-kratkih krugova i dodatne impedancije.
3.Nedovoljno ubrizgavanje i vlaženje elektrolita
Elektrolit ne u potpunosti prodire u pore za separatore (stupanj vlaženja <90%), blokirajući ionske kanale. Ako elektrolit u potpunosti ne prodire u pore za separatore, blokirat će ionske kanale, usporiti brzinu migracije litijevih iona i povećati unutarnji otpor baterije.
(Iii) Utjecaj okoliša upotrebe i radnih uvjeta
1.Okruženje s niskim temperaturama
Ionska vodljivost elektrolita smanjuje se za više od 50%, a ohmički otpor i otpornost na polarizaciju povećavaju se. U okruženju s niskim temperaturama, ionska vodljivost elektrolita značajno se smanjuje, što dovodi do povećanja otpornosti na ohmičku bateriju i otpornosti na polarizaciju.
2.Punjenje i ispuštanje visokih brzina
Polarizacija koncentracije pojačava se, naponska platforma se sruši, a učinkovit unutarnji otpor povećava se za 20% - 40%. Kad se baterija provodi visoke punjenja i ispuštanja, koncentracija iona u blizini površine elektrode brzo se mijenja, što dovodi do intenzivirane polarizacije koncentracije i povećanja unutarnjeg otpora efektivnog baterije.
3.Dugoročno starenje biciklizma
Kumulativni učinci poput aktivnog gubitka litija i smanjenja poroznosti elektroda dovode do godišnje stope rasta unutarnjeg otpora veće od 5%. Tijekom dugotrajne biciklističke uporabe baterije, aktivni litij postupno se iscrpljuje, a poroznost elektrode također se smanjuje. Ovi kumulativni učinci dovode do godišnje stope rasta unutarnjeg otpora veću od 5%.
(Iv) lokalno pregrijavanje i strukturna oštećenja uzrokovana kratkim spojevima
1.lokalno pregrijavanje
Velika struja nastala tijekom kratkog spoja dovodi do naglog povećanja lokalne temperature unutar baterije. Visoke temperature ubrzavaju razgradnju unutarnjih materijala baterije, poput raspadanja elektrolita i promjena u strukturi materijala elektroda, što dodatno povećava unutarnji otpor. Na primjer, kada baterija doživi kratki spoj, mjesto kratkog spoja stvara veliku količinu topline, uzrokujući porast lokalne temperature i raspadanje elektrolita, tvoreći sloj visokog impedancije sučelja i povećavajući unutarnji otpor baterije.
2.STRUCTURALNO OSPOVORNJE
Ogromna struja i toplina generirana tijekom kratkog spoja mogu dovesti do strukturnih oštećenja unutar baterije, kao što je taljenje separatora i deformacija materijala elektroda. Ove strukturne oštećenja izravno utječu na kanale iona i elektrona, što dovodi do značajnog povećanja unutarnjeg otpora. Na primjer, visoka temperatura nastala tijekom kratkog spoja može rastopiti separator, uzrokujući izravan kontakt između pozitivnih i negativnih elektroda, formirajući veću struju kratkog spoja, a također oštećujući strukturu materijala elektroda, povećavajući unutarnji otpor baterije.
Iv. Zaključak
Uzroci unutarnjeg porasta otpornosti u litijevim baterijama tijekom kratkih spojeva su višestruki, uključujući uzroke korijena na razini materijala, učinak superpozicije oštećenja procesa, utjecaj okoliša upotrebe i radnih uvjeta, te lokalno pregrijavanje i strukturna oštećenja uzrokovana kratkim spojevima. Ti čimbenici međusobno djeluju, što kolektivno dovodi do povećanja unutarnjeg otpora u litijevim baterijama tijekom kratkih spojeva. Razumijevanje ovih uzroka od velikog je značaja za dizajn, proizvodnju, upotrebu i održavanje litijevih baterija. U fazi dizajna baterije treba odabrati odgovarajuće materijale i optimizirani parametri procesa za smanjenje unutarnjeg otpora baterije. Tijekom korištenja baterije, baterija treba držati podalje od oštrih okruženja za upotrebu, poput visokih temperatura, niskih temperatura i visoke vlage, a brzina punjenja i ispuštanja baterije trebala bi se razumno kontrolirati kako bi se produžila vijek trajanja baterije i osigurala sigurnost baterije. Istodobno, za baterije koje su već doživjele kratki spoj, potrebno je provesti pravovremeni tretman kako bi se izbjeglo pokretanje ozbiljnijih sigurnosnih problema. Buduća istraživanja trebala bi se dodatno udubiti u mehanizam povećanja litijske baterije unutarnjeg otpora tijekom kratkih spojeva i razviti učinkovitije tehnologije upravljanja baterijama i zaštite za poboljšanje performansi i sigurnosti litij baterija.