تجزیه و تحلیل علل افزایش مقاومت داخلی در باتری های لیتیوم در طول مدارهای کوتاه

I. مقدمه

باتری های لیتیوم ، به عنوان یک وسیله مهم ذخیره انرژی ، در جامعه مدرن مانند وسایل نقلیه برقی و وسایل الکترونیکی قابل حمل به طور گسترده ای کاربرد داشته اند. با این حال ، باتری های لیتیوم ممکن است در حین استفاده مدارهای کوتاه را تجربه کنند که این امر نه تنها بر عملکرد باتری تأثیر می گذارد بلکه می تواند مشکلات جدی ایمنی مانند آتش سوزی و انفجار را نیز ایجاد کند. مقاومت داخلی یکی از شاخص های اصلی برای اندازه گیری عملکرد باتری لیتیوم است. افزایش مقاومت داخلی منجر به کاهش ظرفیت تخلیه باتری ، کاهش ظرفیت و عمر خدمات کوتاه شده می شود. بنابراین ، مطالعه علل افزایش مقاومت داخلی در باتری های لیتیوم در مدارهای کوتاه دارای اهمیت نظری و عملی مهمی است.

ii. ترکیب مقاومت داخلی باتری لیتیوم

مقاومت داخلی باتری لیتیوم عمدتاً از مقاومت اهمی و مقاومت قطبی شدن تشکیل شده است. مقاومت اهمی شامل مقاومت خود الکترودها ، مقاومت محلول الکترولیت ، مقاومت در برابر یونهای عبور از میکروپورهای جداکننده و مقاومت تماس بین الکترودهای مثبت\/منفی و جداکننده است. مقاومت قطبی سازی مقاومت رسانا است که به دلیل قطبش الکترود در هنگام شارژ باتری و تخلیه ، از جمله قطبش الکتروشیمیایی و قطبش غلظت تشکیل شده است. قطبش الکتروشیمیایی با کندی واکنش الکترود ایجاد می شود ، در حالی که قطبش غلظت در اثر تغییر در غلظت یون در نزدیکی سطح الکترود ایجاد می شود.

iii تجزیه و تحلیل علل افزایش مقاومت داخلی در باتری های لیتیوم در طول مدارهای کوتاه

(i) علل ریشه در سطح مواد

1. ادغام مواد فعال مثبت و منفی

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 نانومتر). رشد دندریت های لیتیوم می تواند جداکننده را سوراخ کند و باعث ایجاد یک باتری کوتاه شود ، در حالی که یک فیلم SEI بیش از حد ضخیم می تواند مانع مهاجرت یون لیتیوم و افزایش مقاومت داخلی باتری شود.

2. مسائل مربوط به پیری و رابط الکترون

محصولات تجزیه الکترولیت (مانند LIF ، Li₂co₃) بر روی سطح الکترود جمع می شوند و یک لایه رابط با مقاومت بالا تشکیل می دهند. در شرایط درجه حرارت بالا یا بیش از حد شارژ ، ویسکوزیته الکترولیت افزایش می یابد و راندمان حمل و نقل یون لیتیوم کاهش می یابد. به عنوان مثال ، هنگامی که یک باتری در یک محیط با درجه حرارت بالا قرار دارد ، ویسکوزیته الکترولیت افزایش می یابد و میزان مهاجرت یون های لیتیوم کاهش می یابد و منجر به افزایش مقاومت داخلی باتری می شود.

3. جمع آوری و تخریب برگه

اکسیداسیون یا خوردگی فویل آلومینیوم\/مس منجر به افزایش مقاومت در برابر تماس می شود (در محیط های با خون بالایی رایج). جوشکاری مجازی نقاط جوشکاری برگه یا خستگی مواد (مانند تحت شرایط لرزش) باعث می شود مقاومت موضعی چند برابر شود. در حین استفاده از باتری ، جمع کننده و زبانه های فعلی ممکن است به دلیل عوامل محیطی تحت اکسیداسیون یا خوردگی قرار بگیرند و منجر به افزایش مقاومت در برابر تماس می شوند. در عین حال ، جوشکاری مجازی نقاط جوشکاری برگه یا خستگی مواد نیز می تواند مقاومت محلی را افزایش دهد.

(ب) اثر فوق العاده نقص فرایند

1. پوشش ورق های الکترود

نوسانات در چگالی ناحیه (5 ± یا بیشتر) منجر به توزیع جریان ناهموار و افزایش قابل توجهی در مقاومت قطبش محلی می شود. اگر پوشش ورق های الکترود ناهموار باشد ، منجر به توزیع جریان ناهموار در داخل باتری می شود ، در حالی که مناطق خاصی از چگالی جریان بیش از حد بالا برخوردار هستند و از این طریق باعث افزایش مقاومت در برابر قطبش محلی می شوند.

2.خطا در فرآیندهای انباشت\/سیم پیچ

سوء استفاده از ورق های الکترود منجر به تماس با حاشیه برس ، افزایش خطر مدارهای خرد کوتاه و امپدانس اضافی می شود. در حین تولید باتری ، اگر در فرآیند انباشت یا سیم پیچ خطایی وجود داشته باشد ، ممکن است باعث سوء استفاده از ورق های الکترود شود و منجر به تماس با لبه برس شود ، خطر مدارهای خرد کوتاه و امپدانس اضافی را افزایش دهد.

3.تزریق و خیس شدن الکترولیت کافی

الکترولیت به طور کامل به منافذ جداکننده (درجه مرطوب کننده <90 ٪) نفوذ نمی کند و کانال های یونی را مسدود می کند. اگر الکترولیت به طور کامل به منافذ جداکننده نفوذ نکند ، کانال های یونی را مسدود می کند ، سرعت مهاجرت یون های لیتیوم را کاهش می دهد و مقاومت داخلی باتری را افزایش می دهد.

(iii) تأثیر محیط استفاده و شرایط عملیاتی

1.محیط با درجه حرارت پایین

هدایت یونی الکترولیت بیش از 50 ٪ کاهش می یابد و مقاومت اهمی و مقاومت قطبش افزایش می یابد. در یک محیط با درجه حرارت پایین ، هدایت یونی الکترولیت به طور قابل توجهی کاهش می یابد و منجر به افزایش مقاومت در برابر باتری و مقاومت قطبش می شود.

2.شارژ و تخلیه با نرخ بالا

قطبش غلظت شدت می یابد ، سکوی ولتاژ فرو می ریزد و مقاومت داخلی مؤثر 20 ٪ {1}} ٪ افزایش می یابد. هنگامی که یک باتری تحت شارژ و تخلیه با نرخ بالا قرار می گیرد ، غلظت یون در نزدیکی سطح الکترود به سرعت تغییر می کند و منجر به قطبش غلظت شدید و افزایش مقاومت داخلی مؤثر باتری می شود.

3.پیری دوچرخه سواری طولانی مدت

اثرات تجمعی مانند از دست دادن لیتیوم فعال و کاهش تخلخل الکترود منجر به سرعت رشد سالانه مقاومت داخلی بیش از 5 ٪ می شود. در طول دوچرخه سواری طولانی مدت از باتری ، لیتیوم فعال به تدریج تخلیه می شود و تخلخل الکترود نیز کاهش می یابد. این اثرات تجمعی منجر به رشد سالانه مقاومت داخلی بیش از 5 ٪ می شود.

(IV) گرمای بیش از حد موضعی و آسیب ساختاری ناشی از مدارهای کوتاه

1. گرمای بیش از حد محلی

جریان بزرگ تولید شده در طی یک مدار کوتاه منجر به افزایش شدید دمای محلی در داخل باتری می شود. درجه حرارت بالا باعث تخریب مواد داخلی باتری مانند تجزیه الکترولیت و تغییر در ساختار مواد الکترود ، افزایش مقاومت داخلی می شود. به عنوان مثال ، هنگامی که یک باتری یک مدار کوتاه را تجربه می کند ، محل اتصال کوتاه مقدار زیادی گرما ایجاد می کند و باعث افزایش دمای محلی و تجزیه الکترولیت می شود ، یک لایه رابط با افزایش فشار بالا و افزایش مقاومت داخلی باتری ایجاد می کند.

2. آسیب ساختاری

جریان و گرمای عظیم ایجاد شده در طول یک مدار کوتاه ممکن است منجر به آسیب ساختاری در داخل باتری مانند ذوب جداکننده و تغییر شکل مواد الکترود شود. این خسارت های ساختاری به طور مستقیم بر کانال های حمل و نقل یون و الکترونی باتری تأثیر می گذارد و منجر به افزایش قابل توجهی در مقاومت داخلی می شود. به عنوان مثال ، دمای بالا تولید شده در طی یک مدار کوتاه ممکن است جداکننده را ذوب کرده و باعث ایجاد تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی شود ، جریان مدار کوتاه بزرگتر را تشکیل می دهد و همچنین به ساختار مواد الکترود آسیب می رساند و باعث افزایش مقاومت داخلی باتری می شود.

IV پایان

دلایل افزایش مقاومت داخلی در باتری های لیتیوم در طول مدارهای کوتاه چند وجهی است ، از جمله دلایل ریشه در سطح مواد ، اثر فوق العاده نقص فرآیند ، تأثیر محیط استفاده و شرایط عملیاتی و گرمای بیش از حد موضعی و آسیب ساختاری ناشی از مدارهای کوتاه. این عوامل با یکدیگر در تعامل هستند و به طور جمعی منجر به افزایش مقاومت داخلی در باتری های لیتیوم در طول مدارهای کوتاه می شوند. درک این دلایل برای طراحی ، ساخت ، استفاده و نگهداری باتری های لیتیوم از اهمیت زیادی برخوردار است. در مرحله طراحی باتری ، مواد مناسب باید انتخاب شوند و پارامترهای پردازش شده برای کاهش مقاومت داخلی باتری. در حین استفاده از باتری ، باتری باید از محیط های سخت استفاده مانند درجه حرارت بالا ، درجه حرارت پایین و رطوبت بالا دور نگه داشته شود و میزان شارژ و تخلیه باتری باید به طور منطقی کنترل شود تا عمر خدمات باتری افزایش یابد و از ایمنی باتری اطمینان حاصل شود. در عین حال ، برای باتری هایی که قبلاً یک مدار کوتاه را تجربه کرده اند ، باید به موقع درمان انجام شود تا از ایجاد مشکلات جدی تر ایمنی جلوگیری شود. تحقیقات آینده باید بیشتر به مکانیسم افزایش مقاومت داخلی در باتری های لیتیوم در طول مدارهای کوتاه بپردازد و فن آوری های مدیریت و محافظت از باتری مؤثرتر را برای بهبود عملکرد و ایمنی باتری لیتیوم ایجاد کند.