Napa baterei lithium wesi fosfat gagal?

Ngerteni sabab utawa mekanisme kegagalan baterei lithium wesi fosfat penting banget kanggo ningkatake kinerja baterei lan produksi lan panggunaan skala gedhe. Artikel iki ngrembug efek saka impurities, cara pembentukan, kondisi panyimpenan, daur ulang, overcharge, lan over-discharge ing kegagalan baterei.

1. Gagal ing proses produksi

Ing proses produksi, personel, peralatan, bahan mentah, metode, lan lingkungan minangka faktor utama sing mengaruhi kualitas produk. Ing proses produksi baterei daya LiFePO4, personel lan peralatan kagungane orane katrangan saka Manajemen, supaya kita utamané ngrembug pungkasan telung faktor efek.

Kotoran ing materi elektroda aktif nyebabake kegagalan baterei.

Sajrone sintesis LiFePO4, bakal ana sawetara impurities kayata Fe2O3 lan Fe. Kotoran kasebut bakal suda ing permukaan elektroda negatif lan bisa nusuk diafragma lan nyebabake sirkuit cendhak internal. Nalika LiFePO4 kapapar udhara kanggo dangu, Kelembapan bakal deteriorate baterei. Ing tahap awal tuwa, fosfat wesi amorf dibentuk ing permukaan materi. Komposisi lan struktur lokal padha karo LiFePO4 (OH); kanthi selipan OH, LiFePO4 terus dikonsumsi, Diwujudake minangka paningkatan volume; banjur rekristalisasi alon-alon dadi LiFePO4(OH). Kotoran Li3PO4 ing LiFePO4 sacara elektrokimia inert. Sing luwih dhuwur isi impurity anoda grafit, sing luwih gedhe mundhut kapasitas irreversible.

Gagal baterei sing disebabake dening cara pembentukan

Mundhut ion litium aktif sing ora bisa dibalèkaké pisanan katon ing ion litium sing dikonsumsi nalika mbentuk membran antarmuka elektrolit sing padhet. Pasinaon nemokake yen nambah suhu tatanan bakal nyebabake mundhut ion litium sing ora bisa dibatalake. Nalika suhu tatanan tambah, proporsi komponen anorganik ing film SEI bakal nambah. Gas sing dibebasake sajrone transformasi saka bagean organik ROCO2Li menyang komponen anorganik Li2CO3 bakal nyebabake luwih akeh cacat ing film SEI. A nomer akeh ion lithium solvated dening cacat iki bakal ditempelake ing elektroda grafit negatif.

Sajrone tatanan, komposisi lan kekandelan saka film SEI kawangun dening daya kurang-saiki seragam nanging wektu-akeh; daya dhuwur-saiki bakal nimbulaké reaksi sisih liyane kelakon, asil ing tambah mundhut irreversible lithium-ion lan impedansi antarmuka elektroda negatif uga bakal nambah, nanging ngirit wektu. Wektu; Saiki, mode pambentukan arus konstan cilik-arus gedhe saiki lan voltase konstan digunakake luwih kerep supaya bisa njupuk keuntungan saka loro kasebut.

Gagal baterei sing disebabake kelembapan ing lingkungan produksi

Ing produksi nyata, baterei mesthi bakal kontak udhara amarga bahan positif lan negatif biasane micron utawa nano-ukuran partikel, lan molekul solvent ing elektrolit duwe gugus karbonil elektronegatif gedhe lan ikatan rangkap karbon-karbon metastabil. Kabeh gampang nyerep kelembapan ing udhara.

Molekul banyu bereaksi karo uyah litium (utamane LiPF6) ing elektrolit, sing ngrusak lan ngonsumsi elektrolit (decomposes dadi PF5) lan ngasilake zat asam HF. Loro-lorone PF5 lan HF bakal numpes film SEI, lan HF uga bakal ningkataké korosi bahan aktif LiFePO4. Molekul banyu uga bakal delithiate litium-intercalated grafit elektroda negatif, mbentuk lithium hidroksida ing ngisor film SEI. Kajaba iku, O2 larut ing elektrolit uga bakal akselerasi tuwa saka baterei LiFePO4.

Ing proses produksi, saliyane proses produksi sing mengaruhi kinerja baterei, faktor utama sing nyebabake kegagalan baterei daya LiFePO4 kalebu impurities ing bahan mentah (kalebu banyu) lan proses pembentukan, saengga kemurnian materi, kontrol asor lingkungan, cara tatanan, etc. Faktor wigati.

2. Gagal ing rak

Sajrone urip baterei daya, umume wektu ana ing rak. Umumé, sawise wektu shelving dawa, kinerja baterei bakal suda, biasane nuduhake Tambah ing resistance internal, nyuda ing voltase, lan nyuda ing kapasitas discharge. Akeh faktor sing njalari rusake kinerja baterei, yaiku suhu, kahanan pangisian daya, lan wektu minangka faktor pengaruh sing paling jelas.

Kasem et al. nganalisa tuwa saka baterei daya LiFePO4 ing kahanan panyimpenan beda. Padha pitados bilih mekanisme tuwa utamané reaksi sisih elektroda positif lan negatif. Elektrolit (dibandhingake karo reaksi sisih elektroda positif, reaksi sisih elektroda grafit negatif luwih abot, utamané disebabake solvent. Dekomposisi, wutah saka film SEI) nganggo ion lithium aktif. Ing wektu sing padha, total impedansi baterei mundhak, mundhut ion lithium aktif ndadékaké kanggo tuwa baterei nalika ditinggalake. Mundhut kapasitas baterei LiFePO4 mundhak kanthi mundhake suhu panyimpenan. Ing kontras, minangka negara panyimpenan saka daya mundhak, mundhut kapasitas luwih cilik.

Grolleau et al. uga ngrambah kesimpulan padha: suhu panyimpenan wis impact luwih pinunjul ing tuwa saka baterei daya LiFePO4, ngiring dening negara panyimpenan daya, lan model prasaja ngajokaken. Bisa prédhiksi mundhut kapasitas baterei daya LiFePO4 adhedhasar faktor sing ana gandhengane karo wektu panyimpenan (suhu lan negara pangisian daya). Ing negara SOC tartamtu, minangka wektu beting mundhak, lithium ing grafit bakal kasebar menyang pinggiran, mbentuk senyawa Komplek karo elektrolit lan elektron, asil ing Tambah ing proporsi ion lithium irreversible, thickening saka SEI, lan konduktivitas. Tambah ing impedansi disebabake nyuda (komponen anorganik nambah, lan sawetara duwe kesempatan kanggo re-dissolve) lan abang ing kegiatan lumahing elektroda bebarengan nimbulaké tuwa baterei.

Preduli saka status pangisian daya utawa negara discharging, kalorimetri scan diferensial ora nemokake reaksi apa wae ing antarane LiFePO4 lan elektrolit sing beda (elektrolit yaiku LiBF4, LiAsF6, utawa LiPF6) ing kisaran suhu saka suhu kamar nganti 85°C. Nanging, nalika LiFePO4 dicelupake ing elektrolit LiPF6 kanggo dangu, iku isih bakal nuduhake reaktivitas tartamtu. Amarga reaksi kanggo mbentuk antarmuka wis suwe, isih ora ana film passivation ing permukaan LiFePO4 kanggo nyegah reaksi luwih lanjut karo elektrolit sawise nyemplungake siji sasi.

Ing negara shelving, kahanan panyimpenan miskin (suhu dhuwur lan negara daya dhuwur) bakal nambah tingkat poto-discharge saka baterei daya LiFePO4, nggawe tuwa baterei luwih ketok.

3. Gagal ing daur ulang

Baterei umume ngetokake panas nalika digunakake, mula pengaruh suhu penting. Kajaba iku, kahanan dalan, panggunaan, lan suhu sekitar kabeh bakal duwe efek sing beda.

Mundhut ion lithium aktif umume nyebabake mundhut kapasitas baterei LiFePO4 nalika muter. Dubarry et al. nuduhake yen tuwa saka baterei daya LiFePO4 sak muter utamané amarga proses wutah Komplek sing nganggo film SEI lithium-ion fungsional. Ing proses iki, mundhut ion lithium aktif langsung nyuda tingkat penylametan kapasitas baterei; wutah terus saka film SEI, ing tangan siji, nimbulaké Tambah ing resistance polarisasi baterei. Ing wektu sing padha, kekandelan film SEI banget kandel, lan kinerja elektrokimia saka anoda grafit. Iki bakal ngaktifake sebagian kegiatan kasebut.

Sajrone siklus suhu dhuwur, Fe2 + ing LiFePO4 bakal larut nganti sawetara. Sanajan jumlah Fe2 + sing dibubarake ora duwe pengaruh sing signifikan marang kapasitas elektroda positif, pembubaran Fe2 + lan udan Fe ing elektroda grafit negatif bakal duwe peran katalitik ing pertumbuhan film SEI. . Tan analisa kuantitatif ing ngendi lan ing ngendi ion litium aktif ilang lan nemokake manawa akeh ion litium aktif sing ilang ing permukaan elektroda grafit negatif, utamane sajrone siklus suhu dhuwur, yaiku, mundhut kapasitas siklus suhu dhuwur. luwih cepet, lan ngringkes film SEI Ana telung beda mekanisme karusakan lan ndandani:

1. Elektron ing anoda grafit ngliwati film SEI kanggo ngurangi ion litium.
2. Pembubaran lan regenerasi sawetara komponen saka film SEI.
3. Amarga owah-owahan volume anoda grafit, membran SEI disebabake pecah.

Saliyane mundhut ion litium aktif, bahan positif lan negatif bakal rusak sajrone daur ulang. Kedadeyan retak ing elektroda LiFePO4 sajrone daur ulang bakal nyebabake polarisasi elektroda mundhak lan konduktivitas antarane bahan aktif lan agen konduktif utawa kolektor saiki mudhun. Nagpure nggunakake Scanning Extended Resistance Microscopy (SSRM) kanggo sinau kanthi semi-kuantitatif babagan owah-owahan LiFePO4 sawise tuwa lan nemokake yen coarsening nanopartikel LiFePO4 lan celengan permukaan sing diprodhuksi dening reaksi kimia tartamtu bebarengan nyebabake peningkatan impedansi katoda LiFePO4. Kajaba iku, pangurangan permukaan aktif lan eksfoliasi elektroda grafit sing disebabake dening kelangan materi grafit aktif uga dianggep minangka panyebab penuaan baterei. Ketidakstabilan anoda grafit bakal nyebabake ketidakstabilan film SEI lan ningkatake konsumsi ion lithium aktif.

Discharge dhuwur-tingkat baterei bisa nyedhiyani daya pinunjul kanggo kendaraan listrik; yaiku, sing luwih apik kinerja tingkat baterei daya, sing luwih apik kinerja akselerasi mobil listrik. Asil panaliten Kim et al. nuduhake yen mekanisme tuwa saka elektroda positif LiFePO4 lan elektroda negatif grafit beda: kanthi nambah tingkat discharge, mundhut kapasitas elektroda positif mundhak luwih saka elektroda negatif. Mundhut kapasitas baterei sajrone siklus tingkat rendah utamane amarga konsumsi ion litium aktif ing elektroda negatif. Ing kontras, mundhut daya baterei nalika muter dhuwur-tingkat amarga Tambah ing impedansi elektroda positif.

Senajan ambane discharge saka baterei daya digunakake ora mengaruhi mundhut kapasitas, iku bakal mengaruhi mundhut daya: kacepetan mundhut daya mundhak karo nambah ambane saka discharge. Iki amarga mundhake impedansi film SEI lan nambah impedansi kabeh baterei. Iku langsung gegandhengan. Senajan relatif kanggo mundhut saka ion lithium aktif, watesan ndhuwur voltase daya ora duwe pengaruh nyoto ing Gagal baterei, watesan ndhuwur banget kurang utawa dhuwur banget voltase daya bakal nambah impedansi antarmuka elektroda LiFePO4: ndhuwur kurang. voltase watesan ora bakal bisa uga. Film passivation dibentuk ing lemah, lan watesan voltase dhuwur banget bakal nyebabake Dekomposisi oksidatif elektrolit. Iku bakal nggawe produk karo konduktivitas kurang ing lumahing elektroda LiFePO4.

Kapasitas discharge saka baterei daya LiFePO4 bakal drop cepet nalika suhu sudo, utamané amarga abang konduktivitas ion lan Tambah impedansi antarmuka. Li sinau katoda LiFePO4 lan anoda grafit kanthi kapisah lan nemokake yen faktor kontrol utama sing mbatesi kinerja suhu anoda lan anoda beda-beda. Penurunan konduktivitas ion katoda LiFePO4 dominan, lan paningkatan impedansi antarmuka anoda grafit minangka alasan utama.

Sajrone nggunakake, degradasi elektroda LiFePO4 lan anoda grafit lan pertumbuhan film SEI sing terus-terusan bakal nyebabake kegagalan baterei kanthi derajat sing beda-beda. Kajaba iku, saliyane faktor sing ora bisa dikendhaleni kayata kahanan dalan lan suhu sekitar, panggunaan baterei kanthi rutin uga penting, kalebu voltase ngisi daya sing cocog, ambane discharge sing cocog, lsp.

4. Gagal nalika ngisi daya lan discharging

Baterei asring kudu diisi luwih akeh nalika digunakake. Ana kurang over-discharge. Panas sing dibebasake nalika overcharge utawa over-discharge bisa uga nglumpukake ing njero baterei, lan nambah suhu baterei. Iku mengaruhi urip baterei lan mundhakaken kamungkinan saka geni utawa bledosan badai. Malah ing kahanan ngisi lan mbuwang reguler, amarga jumlah siklus mundhak, inconsistency kapasitas sel tunggal ing sistem baterei bakal nambah. Baterei kanthi kapasitas paling sithik bakal ngalami proses ngisi daya lan overdischarge.

Sanajan LiFePO4 nduweni stabilitas termal sing paling apik dibandhingake karo bahan elektroda positif liyane ing kahanan pangisian daya sing beda-beda, ngisi daya sing berlebihan uga bisa nyebabake risiko sing ora aman nalika nggunakake baterei LiFePO4. Ing negara overcharged, solvent ing elektrolit organik luwih rentan kanggo dekomposisi oksidatif. Antarane pelarut organik sing umum digunakake, etilena karbonat (EC) luwih seneng ngalami Dekomposisi oksidatif ing permukaan elektroda positif. Wiwit potensial selipan lithium (versus potensial lithium) saka elektroda grafit negatif cethek, udan lithium kamungkinan banget ing elektroda grafit negatif.

Salah sawijining sebab utama kegagalan baterei ing kahanan sing overcharged yaiku sirkuit cendhak internal sing disebabake dening cabang kristal lithium sing nusuk diafragma. Lu et al. nganalisa mekanisme gagal saka lithium plating ing lumahing elektroda grafit ngelawan disebabake overcharge. Asil nuduhake yen struktur sakabèhé saka elektroda grafit negatif wis ora diganti, nanging ana litium kristal cabang lan lumahing film. Reaksi litium lan elektrolit nyebabake film permukaan mundhak terus-terusan, sing nggunakake lithium luwih aktif lan nyebabake litium nyebar dadi grafit. Elektroda negatif dadi luwih rumit, sing bakal ningkatake deposisi lithium ing permukaan elektroda negatif, sing nyebabake nyuda kapasitas lan efisiensi coulombik.

Kajaba iku, impurities logam (utamane Fe) umume dianggep minangka salah sawijining alasan utama kegagalan baterei. Xu et al. sinau kanthi sistematis mekanisme kegagalan baterei LiFePO4 ing kahanan overcharge. Asil nuduhake yen redoks Fe sajrone siklus overcharge / discharge sacara teoritis bisa, lan mekanisme reaksi diwenehi. Nalika overcharge, Fe pisanan dioksidasi dadi Fe2+, Fe2+ luwih rusak dadi Fe3+, banjur Fe2+ lan Fe3+ dibusak saka elektroda positif. Siji sisih diffuses menyang sisih elektroda negatif, Fe3 + pungkasanipun suda kanggo Fe2 +, lan Fe2 + luwih suda kanggo mbentuk Fe; nalika overcharge / siklus discharge, cabang kristal Fe bakal miwiti ing elektrods positif lan negatif ing wektu sing padha, tindikan separator kanggo nggawe kreteg Fe, asil ing baterei mikro Short circuit, kedadean nyoto sing ngiringi sirkuit singkat mikro baterei punika terus-terusan. mundhak ing suhu sawise overcharging.

Sajrone overcharge, potensial elektroda negatif bakal munggah kanthi cepet. Tambah potensial bakal numpes film SEI ing lumahing elektroda negatif (bagean sugih ing senyawa anorganik ing film SEI luwih kamungkinan kanggo oxidized), kang bakal nimbulaké dekomposisi tambahan saka elektrolit, asil ing mundhut saka kapasitas. Luwih penting, kolektor saiki negatif Cu foil bakal dioksidasi. Ing film SEI saka elektroda negatif, Yang et al. dideteksi Cu2O, produk oksidasi Cu foil, kang bakal nambah resistance internal baterei lan nimbulaké mundhut kapasitas saka badai.

Dheweke et al. sinau proses over-discharge baterei daya LiFePO4 ing rinci. Asil nuduhake yen kolektor saiki negatif Cu foil bisa dioksidasi dadi Cu + nalika overdischarge, lan Cu + luwih dioksidasi dadi Cu2 +, lan banjur nyebar menyang elektroda positif. Reaksi reduksi bisa kedadeyan ing elektroda positif. Kanthi cara iki, bakal mbentuk cabang kristal ing sisih elektroda positif, pierce separator lan nimbulaké short circuit mikro nang baterei. Uga, amarga over-discharge, suhu baterei bakal terus mundhak.

Overcharge baterei daya LiFePO4 bisa nyebabake dekomposisi elektrolit oksidatif, evolusi lithium, lan pembentukan cabang kristal Fe; over-discharge bisa nimbulaké karusakan SEI, asil ing degradasi kapasitas, oksidasi foil Cu, lan malah katon cabang kristal Cu.

5. gagal liyane

Amarga konduktivitas rendah LiFePO4, morfologi lan ukuran materi kasebut dhewe lan efek agen konduktif lan binder gampang diwujudake. Gaberscek et al. rembugan loro faktor mbantah ukuran lan lapisan karbon lan ketemu sing impedansi elektroda LiFePO4 mung related kanggo ukuran partikel rata-rata. Cacat anti-situs ing LiFePO4 (Fe manggoni situs Li) bakal duwe impact tartamtu ing kinerja baterei: amarga transmisi ion lithium nang LiFePO4 siji-dimensi, cacat iki bakal ngalangi komunikasi ion lithium; amarga introduksi negara valensi dhuwur Amarga tolak elektrostatik tambahan, cacat iki uga bisa nyebabake ketidakstabilan struktur LiFePO4.

Partikel gedhe saka LiFePO4 ora bisa seneng banget ing pungkasan ngisi daya; LiFePO4 kanthi struktur nano bisa nyuda cacat inversi, nanging energi permukaan sing dhuwur bakal nyebabake discharge. PVDF minangka binder sing paling umum digunakake saiki, sing nduweni kekurangan kayata reaksi ing suhu dhuwur, pembubaran ing elektrolit non-air, lan keluwesan sing ora cukup. Nduweni pengaruh tartamtu ing mundhut kapasitas lan siklus urip LiFePO4. Kajaba iku, kolektor saiki, diafragma, komposisi elektrolit, proses produksi, faktor manungsa, getaran eksternal, kejut, lan sapiturute, bakal mengaruhi kinerja baterei kanthi macem-macem derajat.

Referensi: Miao Meng et al. "Kemajuan Riset babagan Gagal Baterai Lithium Iron Phosphate Power."