تأثیر میزان رطوبت بر عملکرد باتری

عوامل بسیاری بر عملکرد باتری های لیتیوم تأثیر می گذارند ، از جمله نوع مواد ، تراکم تراکم الکترودهای مثبت و منفی ، رطوبت ، تراکم سطح پوشش و مقدار الکترولیت. در این میان ، رطوبت تأثیر حیاتی بر عملکرد باتری های یون لیتیوم دارد. رطوبت یک عامل کلیدی است که باید در مراحل تولید باتری های لیتیوم یون کاملاً کنترل شود. رطوبت بیش از حد نه تنها می تواند باعث تجزیه نمک های لیتیوم در الکترولیت شود و هم باعث صدمه به مواد مثبت و منفی شود ، جمع کننده فعلی دارای اثر خورنده و تخریبی خاصی است و همچنین منجر به کاهش عملکرد چرخه و عملکرد ایمنی می شود. باتری با این حال ، مقدار کمی از رطوبت اهمیت مهمی دارد. در زیر تأثیر رطوبت بر عملکرد باتری های لیتیوم شرح داده شده است.

1. معایب رطوبت بیش از حد

در فرآیند تولید باتری سیستم سه گانه / گرافیت ، تهیه دوغاب الکترود مثبت به طور کلی از سیستم پراکندگی بر پایه روغن استفاده می کند و از PVDF به عنوان چسب و NMP به عنوان حلال استفاده می کند. هنگامی که PVDF با رطوبت بیش از حد مواجه شود ، ماده ای ژلاتینی تشکیل می دهد و در نتیجه سیالیت و تراز شدن دوغاب ضعیف ایجاد می شود که برای پوشش دوغاب مناسب نیست. بنابراین ، هنگام تهیه دوغاب ، باید به میزان رطوبت مواد اولیه ، محیط کار و ورود رطوبت در هنگام کار پرسنل توجه شود.

علاوه بر این که تأثیر زیادی در تهیه دوغاب باتری لیتیوم دارد ، رطوبت بیش از حد باعث تجزیه الکترولیت می شود. پاسخ به شرح زیر است:

اسید هیدروفلوئوریک یک اسید خورنده است ، که می تواند به مواد الکترود مثبت و منفی و جمع کننده های فعلی باتری های لیتیوم آسیب جدی برساند و در نهایت منجر به مشکلات ایمنی باتری شود.

2. معنی آب کمیاب

با این حال ، این طور نیست که آب کمتری در باتری های لیتیوم بهتر باشد. همانطور که همه ما می دانیم ، رابط الکترولیت جامد (معمولاً به عنوان غشا SE SEI شناخته می شود) یک غشاme نفوذپذیر انتخابی است که به لی + اجازه می دهد آزادانه عبور کند ، اما مولکول های الکترولیت نمی توانند از آن عبور کنند. ترکیب الکترولیت و مواد افزودنی کمیاب تأثیر مهمی بر پتانسیل تشکیل فیلم SEI ، میزان فشردگی ، کاهش ظرفیت برگشت ناپذیر باتری و مقاومت داخلی باتری دارند. آب به عنوان یک عنصر کمیاب در الکترولیت ، تأثیر خاصی در تشکیل فیلم SEI و عملکرد باتری باتری های یون لیتیوم دارد.

سوم ، تأثیر رطوبت بر عملکرد باتری های لیتیوم

در سیستم های مختلف مواد ، میزان رطوبت تأثیر زیادی بر عملکرد باتری دارد. با این حال ، آنچه بدون تغییر باقی مانده این است که رطوبت بر روی اولین شارژ و ظرفیت تخلیه ، مقاومت داخلی ، عمر چرخه باتری و حجم باتری باتری های لیتیوم تأثیر می گذارد. باتری سیستم لیتیوم اکسید کبالت / گرافیت را به عنوان مثال در نظر بگیرید.

1. تأثیر بر روی اولین بار و ظرفیت تخلیه

رطوبت مربوط به تشکیل SEI در باتری های لیتیوم است و به طور حتم بر روی اولین افت ظرفیت برگشت ناپذیر باتری های لیتیوم تأثیر می گذارد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است:

شکل 1. تأثیر میزان رطوبت بر روی شارژ باتری و ظرفیت تخلیه

وقتی رطوبت در باتری کمتر از 0.015٪ باشد ، اولین ظرفیت تخلیه باتری مطابق با استاندارد ملی است و تغییر اندک است. وقتی رطوبت باتری در محدوده 0.015٪ تا 0.04٪ باشد ، با افزایش رطوبت در باتری ، اولین ظرفیت تخلیه باتری کاهش می یابد. هنگامی که میزان رطوبت در باتری کمتر از 0.015٪ باشد ، واکنش های زیر غالب می شوند.

کربنات لیتیوم آلکیل تولید شده توسط فرایند کاهش تک الکترون همچنین می تواند با ردیابی آب در الکترولیت واکنش نشان داده و کربنات لیتیوم تولید کند.

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

هنگام تولید CO2 ، یک واکنش شیمیایی جدید در سطح الکترود منفی با پتانسیل کم رخ می دهد:

2CO2+2Li+ +2e → Li2CO3 CO

دیده می شود که مقدار مناسب آب به تشکیل یک فیلم SEI پایدار ، یکنواخت و متراکم تحت سلطه Li2CO3 کمک خواهد کرد. وقتی فیلم SEI الکترود منفی را کاملاً بپوشاند ، واکنش برگشت ناپذیر بلافاصله متوقف می شود.

وقتی میزان رطوبت در محدوده 0.0150٪ تا 04/0٪ باشد ، مصرف یونهای لیتیوم افزایش می یابد و ظرفیت شارژ و دشارژ باتری کاهش می یابد که تأثیر منفی بر روی آن دارد.

2. تأثیر بر مقاومت داخلی باتری

مقاومت داخلی باتری یکی از مهمترین پارامترهای مشخصه باتری است. این پارامتر مهمی است که طول عمر چرخه و وضعیت عملکرد باتری را مشخص می کند و شاخص اصلی مشکل در انتقال یونها و الکترون ها در باتری است. مقاومت داخلی عمدتا تحت تأثیر عواملی مانند مواد باتری ، فرایندهای تولید و ساختار باتری است. هرچه مقاومت داخلی کمتر باشد ، ولتاژ هنگام تخلیه باتری کمتر می شود و انرژی بیشتری می تواند تولید کند. برای باتری هایی که به مدت طولانی ذخیره می شوند ، با افزایش زمان ذخیره سازی مقاومت داخلی افزایش می یابد و وقتی مقاومت داخلی از مقدار مشخصی فراتر رود ، عملکرد باتری بسیار تحت تأثیر قرار می گیرد. از آنجا که میزان رطوبت بر کیفیت فیلم SEI در باتری لیتیوم تأثیر دارد ، این مقدمه بر مقاومت داخلی باتری تأثیر می گذارد.

در سیستم حلال الکترولیت EC / DMC / EMC ، مقدار کمی از آب می تواند یک فیلم SEI مبتنی بر Li2CO3 ، پایدار ، یکنواخت و متراکم با مقاومت داخلی کم تشکیل دهد. هنگامی که میزان رطوبت بیش از مقدار مورد نیاز سیستم برای تشکیل فیلم SE I باشد ، POF3 و LiF بر روی سطح فیلم SEI رسوب می کنند ، و در نتیجه مقاومت داخلی باتری افزایش می یابد. همانطور که در تصویر 2 نشان داده شده است:

شکل 2. تأثیر میزان رطوبت بر مقاومت داخلی باتری

3. تأثیر در تخریب ظرفیت باتری

میزان رطوبت بر خصوصیات فیلم SEI باتری مانند یکنواختی و فشردگی تأثیر می گذارد. وقتی فیلم SE I یکنواخت و متراکم باشد ، جاسازی حلال الکترولیت در الکترود منفی آسان نیست و جای خالی درج Li + را اشغال می کند ، بنابراین تخریب ظرفیت کمی وجود دارد. برعکس ، وقتی بخشی از فیلم SEI متراکم یا یکنواخت نباشد ، جای خالی درج Li + توسط حلال الکترولیت نسبتاً آسان است. Li2CO3 مهمترین جز component برای تشکیل یک فیلم SEI یکنواخت و متراکم است. در سیستم حلال الکترولیت EC / DMC / EMC ، مقدار مناسب آب می تواند باعث تشکیل فیلم SEI بر اساس Li2CO3 شود. وقتی محتوای رطوبت کافی یا زیاد باشد ، SEI تشکیل می شود هرچه فیلم متراکم تر و یکنواخت باشد ، احتمال جاسازی حلال در آند کربن کمتر است. این دلیل آن است که وقتی رطوبت در محدوده 0.015٪ تا 04/0٪ است ، با افزایش میزان رطوبت ، به تدریج میرایی ظرفیت باتری کاهش می یابد. هنگامی که میزان رطوبت کمتر از 0.015٪ باشد ، یک فیلم SEI متراکم تر در سطح الکترود منفی تشکیل می شود تا تعبیه حلال را در حالت تعادل حفظ کند. بنابراین ، افت ظرفیت باتری در حالت نسبتاً پایداری حفظ می شود.

شکل 3. تأثیر محتوای رطوبت بر میزان خرابی ظرفیت باتری

4. تأثیر بر ضخامت باتری

شکل 4. تأثیر محتوای رطوبت بر ضخامت باتری

از شکل می توان دریافت که با افزایش میزان رطوبت ، ضخامت باتری نیز افزایش می یابد. وقتی میزان رطوبت به دلیل CO2 ، CO و گازهای دیگر تولید شده در هنگام تشکیل فیلم SEI باشد. و هنگامی که آب بیش از حد باشد ، آب اضافی با LiPF6 واکنش نشان داده و گاز HF تولید می کند. تولید گاز داخلی باتری مربوط به ایمنی باتری است. برای جلوگیری از مشکلات جدی نفخ باتری ، باید آب داخل باتری را به شدت کنترل کرد.

منابع:

[1] Do ron Aurbach، Yair E in-El.i JE lectrochem Soc [J]، 1995، 142 (6): 1746

[2] هوانگ فنگ (黄 峰) ، ژو یون هونگ (周运鸿). Ba ttery B ماهانه (باتری) [J] ، 2001 ، 31 (6): 290

[3] ژانگ هیلین ، او شیانگ یون ، لی یان و دیگران. تأثیر رطوبت الکترود بر عملکرد باتری های یون لیتیوم ［J. صنعت باتری ، 2013 ، 18 (1/2): 44-46.