อิทธิพลของความชื้นต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมเช่นชนิดของวัสดุความหนาแน่นของการบดอัดของขั้วบวกและขั้วลบความชื้นความหนาแน่นของผิวเคลือบและปริมาณของอิเล็กโทรไลต์ ความชื้นมีอิทธิพลสำคัญต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความชื้นเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดในระหว่างกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความชื้นที่มากเกินไปไม่เพียง แต่ทำให้เกิดการสลายตัวของเกลือลิเธียมในอิเล็กโทรไลต์และทำให้เกิดความเสียหายกับวัสดุที่เป็นบวกและลบตัวเก็บกระแสไฟฟ้ามีฤทธิ์กัดกร่อนและทำลายล้างบางอย่างและยังส่งผลให้ประสิทธิภาพของวงจรและประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยลดลงอีกด้วย ของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามปริมาณความชื้นตามร่องรอยมีความสำคัญอย่างยิ่ง ข้อมูลต่อไปนี้จะอธิบายถึงผลกระทบของความชื้นต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม

1. ข้อเสียของความชื้นมากเกินไป

ในกระบวนการผลิตของแบตเตอรี่ระบบเทอร์นารี / กราไฟต์การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรดบวกโดยทั่วไปจะใช้ระบบกระจายน้ำมันโดยใช้ PVDF เป็นตัวประสานและ NMP เป็นตัวทำละลาย เมื่อ PVDF พบความชื้นมากเกินไปจะก่อตัวเป็นสารเจลาตินัสส่งผลให้การไหลและการปรับระดับของสารละลายไม่ดีซึ่งไม่เอื้อต่อการเคลือบของสารละลาย ดังนั้นเมื่อเตรียมสารละลายจะต้องให้ความสำคัญกับความชื้นของวัตถุดิบสภาพแวดล้อมการทำงานและการแนะนำความชื้นในระหว่างการปฏิบัติงานของบุคลากร

นอกจากจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเตรียมสารละลายแบตเตอรี่ลิเธียมแล้วความชื้นที่มากเกินไปจะทำให้อิเล็กโทรไลต์สลายตัว คำตอบมีดังนี้:

กรดไฮโดรฟลูออริกเป็นกรดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนโดยเฉพาะซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อวัสดุขั้วบวกและขั้วลบและตัวสะสมกระแสของแบตเตอรี่ลิเธียมและนำไปสู่ปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในที่สุด

2. ความหมายของร่องรอยน้ำ

อย่างไรก็ตามไม่ใช่ว่าน้ำน้อยจะดีกว่าในแบตเตอรี่ลิเธียม อย่างที่เราทราบกันดีว่าอินเทอร์เฟซของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง (เรียกโดยทั่วไปว่าเมมเบรน SEI) เป็นเมมเบรนที่สามารถซึมผ่านได้ซึ่งทำให้ Li + สามารถผ่านได้อย่างอิสระ แต่โมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์ไม่สามารถผ่านได้ องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์และสารเติมแต่งมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อศักยภาพของการก่อตัวของฟิล์ม SEI ระดับของความกะทัดรัดการสูญเสียความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของแบตเตอรี่และความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ น้ำซึ่งเป็นส่วนประกอบติดตามในอิเล็กโทรไลต์มีผลกระทบบางประการต่อการก่อตัวของฟิล์ม SEI และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ประการที่สามผลกระทบของความชื้นต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม

ในระบบวัสดุที่แตกต่างกันปริมาณความชื้นมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามสิ่งที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงคือความชื้นมีผลต่อการชาร์จและความสามารถในการคายประจุครั้งแรกความต้านทานภายในอายุการใช้งานของแบตเตอรี่และปริมาณแบตเตอรี่ของแบตเตอรี่ลิเธียม ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ / แกรไฟต์เป็นตัวอย่าง

1. ผลกระทบต่อการชาร์จครั้งแรกและความสามารถในการคายประจุ

ความชื้นเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของ SEI ในแบตเตอรี่ลิเธียมและจะส่งผลต่อการสูญเสียความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมครั้งแรกอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังแสดงในรูปที่ 1:

รูปที่ 1. อิทธิพลของความชื้นต่อประจุแบตเตอรี่และความสามารถในการคายประจุ

เมื่อความชื้นในแบตเตอรี่น้อยกว่า 0.015% ความสามารถในการคายประจุครั้งแรกของแบตเตอรี่จะเป็นไปตามมาตรฐานแห่งชาติและการเปลี่ยนแปลงมีขนาดเล็ก เมื่อความชื้นของแบตเตอรี่อยู่ในช่วง 0.015% ถึง 0.04% ความสามารถในการคายประจุครั้งแรกของแบตเตอรี่จะลดลงเมื่อความชื้นในแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น เมื่อความชื้นในแบตเตอรี่น้อยกว่า 0.015% ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะครอบงำ

ลิเธียมอัลคิลคาร์บอเนตที่เกิดจากกระบวนการลดอิเล็กตรอนเดี่ยวยังสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำติดตามในอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างลิเธียมคาร์บอเนต

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

เมื่อเกิด CO2 ปฏิกิริยาทางเคมีใหม่จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวขั้วลบที่มีศักยภาพต่ำ:

2CO2+2Li++2e→ Li2CO3 +CO

จะเห็นได้ว่าน้ำในปริมาณที่เหมาะสมจะช่วยสร้างฟิล์ม SEI ที่มีความเสถียรสม่ำเสมอและหนาแน่นซึ่งถูกครอบงำโดย Li2CO3 เมื่อฟิล์ม SEI ครอบคลุมขั้วลบอย่างสมบูรณ์ปฏิกิริยาที่ย้อนกลับไม่ได้จะหยุดลงทันที

เมื่อความชื้นอยู่ในช่วง 0.0150% ถึง 0.04% การใช้ไอออนของลิเธียมจะเพิ่มขึ้นและความสามารถในการประจุและการคายประจุของแบตเตอรี่จะลดลงซึ่งส่งผลเสียต่อแบตเตอรี่

2. ผลกระทบต่อความต้านทานภายในของแบตเตอรี่

ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะที่สำคัญที่สุดของแบตเตอรี่ เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่กำหนดลักษณะของวงจรชีวิตและสถานะการทำงานของแบตเตอรี่และเป็นตัวบ่งชี้หลักของความยากลำบากในการขนส่งไอออนและอิเล็กตรอนในแบตเตอรี่ ความต้านทานภายในส่วนใหญ่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆเช่นวัสดุแบตเตอรี่กระบวนการผลิตและโครงสร้างแบตเตอรี่ ยิ่งความต้านทานภายในน้อยลงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานเมื่อแบตเตอรี่หมดก็จะยิ่งน้อยลงและพลังงานก็จะยิ่งมาก สำหรับแบตเตอรี่ที่เก็บไว้เป็นเวลานานความต้านทานภายในจะเพิ่มขึ้นตามระยะเวลาการจัดเก็บที่เพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จะได้รับผลกระทบอย่างมากเมื่อความต้านทานภายในเกินค่าที่กำหนด เนื่องจากปริมาณความชื้นมีผลต่อคุณภาพของฟิล์ม SEI ในแบตเตอรี่ลิเธียมการแนะนำจึงมีผลต่อความต้านทานภายในของแบตเตอรี่

ในระบบตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์ EC / DMC / EMC ปริมาณน้ำที่ติดตามสามารถก่อตัวเป็นฟิล์ม SEI ที่ใช้ Li2CO3 เสถียรสม่ำเสมอและหนาแน่นโดยมีความต้านทานภายในต่ำ เมื่อความชื้นมากกว่าเนื้อหาที่ระบบต้องการเพื่อสร้างฟิล์ม SE I POF3 และ LiF จะตกตะกอนบนพื้นผิวของฟิล์ม SEI ส่งผลให้ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น ดังแสดงในภาพที่ 2:

รูปที่ 2. อิทธิพลของความชื้นต่อความต้านทานภายในแบตเตอรี่

3. ผลกระทบต่อการลดลงของความจุแบตเตอรี่

ปริมาณความชื้นมีผลต่อคุณสมบัติของฟิล์ม SEI ของแบตเตอรี่เช่นความสม่ำเสมอและความกะทัดรัด เมื่อฟิล์ม SE I มีความสม่ำเสมอและหนาแน่นตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์จะฝังอยู่ในขั้วลบได้ไม่ยากเนื่องจากมีช่องว่างในการแทรก Li + ดังนั้นจึงมีการลดความจุเพียงเล็กน้อย ในทางตรงกันข้ามเมื่อส่วนของฟิล์ม SEI ไม่หนาแน่นหรือสม่ำเสมอมันค่อนข้างง่ายสำหรับตำแหน่งที่ว่างในการแทรก Li + ที่จะถูกครอบครองโดยตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์ Li2CO3 เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในการสร้างฟิล์ม SEI ที่สม่ำเสมอและหนาแน่น ในระบบตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์ EC / DMC / EMC ปริมาณน้ำที่เหมาะสมสามารถส่งเสริมการก่อตัวของฟิล์ม SEI โดยใช้ Li2CO3 เมื่อความชื้นเพียงพอหรือมากเกินไป SEI จะก่อตัวขึ้นฟิล์มที่หนาแน่นขึ้นและสม่ำเสมอความน่าจะเป็นของตัวทำละลายที่ฝังอยู่ในขั้วบวกของคาร์บอนก็จะน้อยลง นี่คือสาเหตุที่การลดทอนความจุของแบตเตอรี่ค่อยๆลดลงตามการเพิ่มขึ้นของความชื้นเมื่อความชื้นอยู่ในช่วง 0.015% ถึง 0.04% เมื่อความชื้นน้อยกว่า 0.015% ฟิล์ม SEI ที่หนาแน่นขึ้นจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของขั้วลบเพื่อรักษาตัวทำละลายที่ฝังอยู่ในสภาวะสมดุล ดังนั้นความจุของแบตเตอรี่จะยังคงอยู่ในสถานะที่ค่อนข้างคงที่

รูปที่ 3. อิทธิพลของความชื้นต่ออัตราการสลายตัวของความจุแบตเตอรี่

4. ผลกระทบต่อความหนาของแบตเตอรี่

รูปที่ 4. อิทธิพลของความชื้นต่อความหนาของแบตเตอรี่

จะเห็นได้จากรูปที่เมื่อความชื้นเพิ่มขึ้นความหนาของแบตเตอรี่ก็เพิ่มขึ้นด้วย เมื่อความชื้นเกิดจาก CO2, CO และก๊าซอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของฟิล์ม SEI และเมื่อน้ำมากเกินไปน้ำส่วนเกินจะยังคงทำปฏิกิริยากับ LiPF6 เพื่อผลิตก๊าซ HF การผลิตก๊าซภายในแบตเตอรี่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาท้องอืดที่รุนแรงในแบตเตอรี่ต้องควบคุมน้ำภายในแบตเตอรี่อย่างเคร่งครัด

อ้างอิง:

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

[2] HUANG Feng (黄峰), ZHOU Yun-Hong (周运鸿) Ba ttery B imonthly (แบตเตอรี่) [J], 2001, 31 (6): 290

[3] Zhang Hailin, He Xiangyun, Li Yan และคณะ อิทธิพลของความชื้นอิเล็กโทรดต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ［J］ อุตสาหกรรมแบตเตอรี่, 2013, 18 (1/2): 44-46.