Welke negatieve gevolgen heeft onvoldoende elektrolyt voor lithiumbatterijen?

Als kernmedium voor het transport van lithium-ionen in de batterij speelt de elektrolyt een cruciale rol als 'ionengeleider', 'elektrode-interfacebeschermer' en 'ladingsoverdrachtsbrug'. De hoeveelheid ervan moet strikt worden afgestemd op de elektrodegrootte, de porositeit en het inkapselingsvolume van de batterij om voldoende bevochtiging van de actieve materialen van de elektrode en een onbelemmerd transport van lithium-ionen te garanderen. Onvoldoende elektrolyt (in de industrie "onder-elektrolyt" genoemd) is niet simpelweg een kwestie van onvoldoende medium; het verstoort het interne elektrochemische evenwicht van de batterij, waardoor een reeks kettingreacties ontstaat die leiden tot prestatievermindering en veiligheidsproblemen. Het grootste deel van deze schade is onomkeerbaar en heeft ernstige gevolgen voor de levensduur en veiligheid van de batterij. De volgende analyse, gebaseerd op de feitelijke werkingsprincipes van batterijen, beschrijft de specifieke negatieve gevolgen en onderliggende mechanismen ervan.

Om een duidelijk begrip te vergemakkelijken, laten we eerst het uitgangspunt verduidelijken: de kernfunctie van de elektrolyt is het oplossen van lithiumzouten (zoals LiPF6, LiFSI, enz.), waardoor vrij bewegende lithiumionen worden geleverd, terwijl tegelijkertijd de actieve materialen van de positieve en negatieve elektrode (zoals ternaire materialen, lithiumijzerfosfaat, grafiet, enz.) en de separator worden bevochtigd, waardoor een stabiel elektrode/elektrolyt-interface (SEI-film, CEI-film) wordt geconstrueerd, waardoor een efficiënt en stabiel lithiumionentransport tussen de positieve en negatieve wordt gewaarborgd. elektroden.

De meest directe en intuïtieve impact van onvoldoende elektrolyt is dat de werkelijke ontladingscapaciteit van de batterij aanzienlijk lager is dan de ontwerpcapaciteit. Deze capaciteitsdaling is onomkeerbaar en wordt voortdurend erger naarmate het aantal cycli toeneemt. Het kernmechanisme ligt in het feit dat de actieve materialen van de positieve en negatieve elektrode niet volledig door de elektrolyt kunnen worden bevochtigd; slechts een kleine hoeveelheid oppervlakteactief materiaal kan deelnemen aan de insertie/extractiereactie van lithiumionen, terwijl een grote hoeveelheid intern actief materiaal "inactief" blijft en geen elektrochemische activiteit kan uitoefenen.

Vanuit structureel perspectief zijn zowel de positieve als de negatieve elektroden poreus (met een porositeit die doorgaans tussen 30% en 50%) ligt. De elektrolyt moet deze poriën volledig vullen, zodat lithiumionen in contact kunnen komen met elk actief deeltje. Als de elektrolyt onvoldoende is, kan er zich geen continue elektrolytfase vormen in de poriën en kunnen lithiumionen slechts binnen een beperkt gebied op het elektrodeoppervlak bewegen. Dit vermindert aanzienlijk het aantal lithiumionen dat deelneemt aan de elektrochemische reactie, waardoor wordt voorkomen dat de volledige ontworpen capaciteit tijdens ontlading vrijkomt.

Bovendien kunnen sommige niet-bevochtigde actieve materialen in een laag-elektrolyttoestand tijdens de eerste lading geen stabiele grenslaagfilm vormen. Zelfs bij daaropvolgende aanvulling van de elektrolyten is het onwaarschijnlijk dat deze actieve materialen weer actief worden, wat leidt tot onomkeerbaar capaciteitsverlies en het voorkomen van herstel naar de ontwerpwaarde door middel van oplaadcycli.

ACEY-BCT560-64PCapaciteitstester voor lithiumbatterijenis de perfecte oplossing voor het testen en evalueren van de prestaties van lithium-ionbatterijen. Deze ultramoderne apparatuur-van-- beschikt over geavanceerde technologie voor het nauwkeurig meten en analyseren van verschillende parameters, waaronder spanning, stroom, temperatuur en meer.

De interne weerstand van een lithiumbatterij bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: ohmse weerstand, weerstand tegen ladingsoverdracht en diffusieweerstand. Onvoldoende elektrolyt leidt tot een aanzienlijke toename van de laatste twee, wat uiteindelijk een scherpe stijging van de totale interne weerstand van de batterij veroorzaakt, wat op zijn beurt de laad-/ontlaadefficiëntie en de uitgangsprestaties beïnvloedt.

Aan de ene kant is er sprake van een verhoogde weerstand tegen ladingsoverdracht: de weerstand tegen ladingsoverdracht treedt voornamelijk op aan het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt, afhankelijk van een stabiele grenslaagfilm en voldoende elektrolyt voor ladingsoverdracht. Wanneer de elektrolyt onvoldoende is, wordt het elektrodeoppervlak niet voldoende bevochtigd en kunnen de grensvlakfilms (SEI-film, CEI-film) niet gelijkmatig worden bedekt. De weerstand tegen het inbrengen/extractie van lithiumionen op het elektrodeoppervlak neemt toe, waardoor de ladingsoverdracht wordt vertraagd en de weerstand tegen ladingsoverdracht exponentieel toeneemt. Aan de andere kant verhoogde diffusieweerstand: de diffusiesnelheid van lithiumionen in de elektrolyt houdt rechtstreeks verband met de continuïteit en concentratie van de elektrolyt. Onvoldoende elektrolyt leidt tot een ongelijkmatige elektrolytconcentratie, waarbij sommige gebieden zelfs 'elektrolyt-vrije' lege gebieden worden. Het diffusiepad van lithiumionen wordt geblokkeerd, de diffusieafstand wordt langer en de diffusieweerstand neemt aanzienlijk toe.

Cyclusprestaties zijn een kernindicator voor de levensduur van lithiumbatterijen en verwijzen naar het vermogen van de batterij om een ​​stabiele capaciteit te behouden tijdens herhaalde laad- en ontlaadcycli. Onvoldoende elektrolyt leidt tot een scherpe verslechtering van de cyclusprestaties en is vatbaar voor abnormale verschijnselen zoals een plotselinge en aanzienlijke capaciteitsdaling na een enkele cyclus. Dit is in wezen een vicieuze cirkel die wordt veroorzaakt door verhoogde interne weerstand.

Zoals eerder vermeld leidt onvoldoende elektrolyt tot een verhoogde interne weerstand. Het belangrijkste gevolg van een verhoogde interne weerstand is een intensievere plaatselijke verwarming tijdens het opladen en ontladen van de batterij (volgens de wet van Joule Q=I²Rt resulteert bij constante stroom een ​​hogere interne weerstand in meer warmteontwikkeling). Lokale oververhitting versnelt de afbraak van elektrolyt.-Bij hoge temperaturen ondergaat de elektrolyt redoxreacties, waarbij gassen zoals CO₂ en HF en inerte stoffen worden gegenereerd, waardoor de resterende elektrolyt verder wordt verbruikt en er nog meer onvoldoende elektrolyt ontstaat. Tegelijkertijd beschadigen hoge temperaturen ook de stabiele film op het grensvlak tussen elektrode en elektrolyt (de SEI-film zal scheuren en reconstrueren). De gescheurde SEI-film zal opnieuw lithiumionen en elektrolyt verbruiken om zichzelf te herstellen, waardoor de weerstand tegen ladingsoverdracht verder toeneemt.

Deze vicieuze cirkel van "laag elektrolytniveau → verhoogde interne weerstand → plaatselijke verwarming → afbraak van elektrolyt → verergerd laag elektrolytniveau" zorgt ervoor dat de capaciteit van de batterij tijdens het fietsen voortdurend afneemt, en de snelheid van de achteruitgang versnelt. Wanneer het aantal cycli een bepaald niveau bereikt, de grenslaagfilm volledig faalt of de elektrolyt uitgeput is, treedt er een aanzienlijke capaciteitsdaling op. Bovendien leidt een laag elektrolytniveau ook tot een slechte capaciteitsconsistentie tijdens het fietsen van de batterij. In een batterijpakket met meerdere -cellen zullen de cellen met een laag elektrolytniveau het eerst afnemen, waardoor de prestaties en levensduur van het gehele batterijpakket afnemen.

De warmteontwikkeling veroorzaakt door onvoldoende elektrolyt is een cruciaal verband tussen prestatievermindering en veiligheidsfalen. De warmteopwekking is voornamelijk afkomstig van twee bronnen, die een cumulatief effect hebben, wat leidt tot een abnormaal hoge batterijtemperatuur en een potentieel vroeg risico op thermische overstroming met zich meebrengt.

• Katalytische warmteontwikkeling door interne weerstand

Zoals eerder vermeld leidt onvoldoende elektrolyt tot een scherpe toename van de interne weerstand, waardoor de Joule-warmte die wordt gegenereerd tijdens het laden en ontladen aanzienlijk toeneemt. Bovendien neemt door onvoldoende elektrolyt ook zijn eigen warmteafvoercapaciteit af (elektrolyt heeft ook een bepaalde warmteafvoerfunctie, waarbij de door de elektroden gegenereerde warmte naar de batterijbehuizing wordt geleid).

• Abnormale reactiewarmteontwikkeling

Onvoldoende elektrolyt veroorzaakt instabiliteit in de elektrode-interfacefilm, waardoor deze vatbaar wordt voor nevenreacties. Dit manifesteert zich als een aanzienlijke stijging van de temperatuur van de batterijbehuizing tijdens het laden en ontladen (normale laad- en ontlaadtemperaturen zijn doorgaans 20-45 graden, maar onvoldoende elektrolytbatterijen kunnen boven de 50 graden stijgen), vooral merkbaar tijdens het opladen, en soms zelfs "heet aanvoelend". Als de accu op hoge snelheid wordt opgeladen en ontladen, zal de warmteontwikkeling verder toenemen, waardoor mogelijk de ontledingstemperatuur van het elektrolyt wordt overschreden (meestal boven de 60 graden), waardoor de ontleding van het elektrolyt en de veroudering van de elektroden worden versneld, waardoor een potentieel veiligheidsrisico ontstaat voor daaropvolgende storingen. Bovendien kan langdurige warmteontwikkeling leiden tot vervorming van de behuizing van de batterij en veroudering van het afdichtingsmiddel, wat mogelijk elektrolytlekkage kan veroorzaken en de toestand van de batterij verder kan verslechteren.

ACEY-BCT506-512Htestapparatuur voor het ontladen van de batterijmaakt gebruik van moderne elektronische bewakings- en besturingsapparatuur in plaats van handmatig werk om de realtime spanning, stroom, capaciteit, energie, formatiestatus en andere parameters van gedistribueerde batterijvorming in realtime te bewaken, fouten te diagnosticeren en af ​​te handelen, relevante gegevens vast te leggen en te analyseren, om onbeheerde en batchverwerking in het formatieproces te realiseren. Computerbesturingssoftware voor gecentraliseerde bewaking en onderhoud van apparatuur.

Dit is de ernstigste negatieve impact van onvoldoende elektrolyt, die een directe invloed heeft op de veiligheid van de batterij en een van de belangrijkste storingsoorzaken is voor batterijen met een tekort aan-elektrolyt. De belangrijkste oorzaak van lithiumplating is: onvoldoende elektrolyt leidt tot slechte lokale bevochtiging van de negatieve elektrode, wat resulteert in ongelijkmatige vorming van de SEI-film. Lithiumionen kunnen zich niet goed inbedden tussen de grafietlagen en kunnen alleen metallisch lithium afzetten op het oppervlak van de negatieve elektrode (dwz "lithiumplating"), waardoor direct contact ontstaat tussen de positieve en negatieve elektroden in de batterij, waardoor een interne kortsluiting ontstaat.

Een interne kortsluiting genereert onmiddellijk een grote hoeveelheid warmte, waardoor de temperatuur van de batterij scherp stijgt (onmiddellijk boven de 100 graden), wat leidt tot thermische overstroming. Hoge temperaturen zorgen ervoor dat de elektrolyt heftig ontbindt, waarbij grote hoeveelheden brandbare en explosieve gassen (zoals CO en CH4) ontstaan. De interne druk van de accu loopt sterk op, waardoor uiteindelijk de accubehuizing scheurt en gaat lekken. Als het gas in contact komt met lucht, of als de interne temperatuur het ontstekingspunt van het elektrolyt of de elektrodematerialen bereikt, kan het ontbranden of zelfs exploderen. Bovendien zal het afgezette metallische lithium, zelfs zonder interne kortsluiting, reageren met de elektrolyt, waarbij zowel elektrolyt als lithiumionen worden verbruikt, waardoor de achteruitgang van de batterijprestaties en veiligheidsrisico's verder worden versneld. Bij het demonteren van een batterij met een ernstig tekort aan elektrolyt kunnen metaalachtige lithiumafzettingen zelfs direct op het oppervlak van de negatieve elektrode worden waargenomen, wat gevoelig is voor ontbranding.

Onvoldoende elektrolyt in lithiumbatterijen is geen ‘klein defect’, maar veroorzaakt eerder onomkeerbare schade aan de batterij van binnenuit, wat de prestaties, levensduur en veiligheid beïnvloedt. De impact ervan vertoont een "kettingreactie"-kenmerk: onvoldoende elektrolyt → onvoldoende bevochtiging → belemmerd transport van lithiumionen → verhoogde interne weerstand → verhoogde warmteontwikkeling → ontleding van elektrolyten → verslechtering van onvoldoende elektrolyt → lithiumafzetting → interne kortsluiting → brand en explosie. Bij de daadwerkelijke productie en het daadwerkelijke gebruik moet de hoeveelheid gebruikte elektrolyt strikt worden gecontroleerd, doorgaans nauwkeurig berekend op basis van parameters zoals de porositeit van de elektrode en het batterijvolume, om onvoldoende elektrolytproblemen te voorkomen.

Als een accu een aanzienlijke vermindering van de actieradius vertoont (capaciteitsverlies van meer dan 20%), abnormale verwarming tijdens het opladen en ontladen, een te hoge laadspanning, een te lage ontlaadspanning of een scherpe daling van de capaciteit tijdens het fietsen, kan dit duiden op onvoldoende elektrolyt. Tijdige inspectie en onderhoud zijn van cruciaal belang om verdere batterijschade of veiligheidsincidenten te voorkomen. Bij grote batterijpakketten, zoals stroombatterijen en energieopslagbatterijen, kan een tekort aan elektrolyt ook de stabiliteit van het hele systeem aantasten, wat gerichte aandacht en preventie vereist.

Neem nu contact op