ポリマーリチウムイオン電池の寿命と安全性

リチウムイオン電池のサイクル寿命

バッテリーが使用され、耐久性がなく、容量が以前よりも少なくなっています。これらはサイクル寿命の継続的な低下です。

サイクル寿命の減衰は、実際には、納品時の定格容量と比較して、バッテリーの実際の利用可能な容量の変化傾向です。

理想的なリチウムイオン電池の場合、サイクル内の容量バランスは変化せず、各サイクルの初期容量は一定の値である必要がありますが、実際には状況ははるかに複雑です。リチウムイオンを生成または消費する可能性のある副反応は、バッテリー容量のバランスの変化につながる可能性があります。バッテリーの容量バランス状態が変化すると、この変化は元に戻せず、複数のサイクルにわたって蓄積される可能性があり、バッテリーサイクルのパフォーマンスに深刻な影響を与える可能性があります。

リチウムイオン電池のサイクル寿命に影響を与える要因はたくさんありますが、根本的な理由は、エネルギー伝達に関与するリチウムイオンの数が絶えず減少していることです。バッテリー内のリチウム元素の総数は減少していませんが、「活性化された」リチウムイオンは少ないことに注意してください。それらは他の場所に閉じ込められているか、活動のチャネルがブロックされており、循環充電および放電のプロセスに自由に参加することができません。

したがって、レドックス反応に関与するはずのリチウムイオンがどこに行ったのかを把握する必要があり、容量の減少のメカニズムを解明することができます。また、ターゲットを絞った対策を講じて、リチウム電池の容量とリチウム電池のリサイクル寿命を延ばします。

1.金属リチウムの沈降

以前の分析から、リチウムイオン電池はリチウムの金属形態で存在すべきではないことがわかっています。リチウム元素は、金属酸化物、炭素リチウム化合物、またはイオンの形態のいずれかです。

金属リチウムの堆積は、一般的に負の表面で発生します。何らかの理由で、リチウムイオンが負極表面に移動すると、一部のリチウムイオンは負の活性物質に侵入せず、安定した化合物を形成します。代わりに、電子が取得されて負極表面に堆積して金属リチウムになり、後続のサイクルに参加しなくなります。このプロセスにより、容量が減少します。

この場合、一般的にいくつかの理由があります。充電がカットオフ電圧を超えている。高速充電;ネガティブな素材では不十分です。過充電や負極材料が不十分な場合、負極は正極から移動したリチウムイオンに対応できず、金属リチウムが析出します。大きな比率で充電すると、短時間で負極に到達するリチウムイオンの数が多すぎるため、輻輳や堆積が発生します。

金属リチウムの堆積は、サイクル寿命の低下を引き起こすだけでなく、深刻な場合には正極と負極の短絡を引き起こし、深刻な安全上の問題を引き起こします。

この問題を解決するためには、正極材料と負極材料の適切な比率を確保すると同時に、リチウム電池の使用条件を厳しく制限して、使用制限を超えないようにする必要があります。もちろん、レシオ性能から始めて、サイクル寿命を部分的に改善することもできます。

2.ポジティブマテリアルの分解

正極材料としてのリチウム含有金属酸化物は、十分な安定性はありますが、長期間使用すると分解し続け、不活性不活性物質（Co 3O4、Mn2O3など）や可燃性ガスが発生し、容量を破壊します。電極間のバランスを取り、容量の不可逆的な損失を引き起こします。

この状況は過充電で特に顕著であり、激しい分解やガス放出でさえ、バッテリー容量だけでなく深刻な安全上のリスクにも影響を与える可能性があります。

電池の充電遮断電圧を厳しく制限することに加えて、正極材料の化学的安定性と熱安定性を改善することも、サイクル寿命の低下率を減らすための実行可能な方法です。

3.電極表面のSEI膜

前述のように、負極として炭素を使用したリチウムイオン電池は、初期サイクル中に電極の表面に固体電解質（SEI）膜の層を形成し、負極材料が異なれば一定の違いがあります。ただし、SEI膜の組成は、主に炭酸リチウム、アルキルエステルリチウム、水酸化リチウムなどで構成されています。もちろん、塩の分解生成物もあり、ポリマーもあります。

SEI膜の形成プロセスはバッテリー内のリチウムイオンを消費し、SEI膜は安定しておらず、サイクルプロセス中に壊れ続け、新しい炭素表面を露出させ、電解質と反応して新しいSEI膜を形成します。これにより、リチウムイオンと電解質が継続的に失われ、バッテリー容量が減少します。 SEIメンブレンには一定の厚みがあります。リチウムイオンは浸透することができますが、SEI膜は負の表面部分の拡散を妨害します。これは負の電極材料でのリチウムイオンの拡散を助長しません。これにより、バッテリー容量も減少します。

4.電解質の影響

連続サイクルプロセスでは、化学的安定性と熱安定性の制限により、電解質は分解と蒸発を続け、長期的に蓄積し、電解質の総量が減少し、正と負の浸透が不十分になります材料、および不完全な充電および放電反応。実際の使用能力の低下を引き起こします。

電解液には、活性水素物質と、鉄、ナトリウム、アルミニウム、ニッケルなどの金属イオンが含まれています。不純物の酸化電位は一般にリチウムイオン電池の正電位よりも低いため、正極面で酸化しやすく、負極で酸化が還元され、常に正極と負極の活性物質を消費し、自己放電を引き起こします。放電、つまり異常使用時にバッテリーの放電を変更します。バッテリーの寿命はサイクル数によって決まり、不純物を含む電極はサイクル数に直接影響します。

電解液には一定量の水も含まれています。水は電解質中のLiFP6と反応して、LiFとHFを生成します。次に、HFはSEI膜を破壊し、より多くのLiFを生成し、LiFの堆積と活性リチウムイオンの継続的な消費を引き起こします。バッテリーのサイクル寿命を縮めます。

上記の分析から、電解質がリチウムイオン電池のサイクル寿命に非常に重要な影響を及ぼしていることがわかります。適切な電解液を選択すると、バッテリーのサイクル寿命が大幅に長くなります。

5.分離膜の閉塞または損傷

絶縁膜の役割は、バッテリーの正極と負極を分離して短絡を防ぐことです。リチウムイオン電池サイクルの過程で、分離膜の乾燥と故障が電池性能の早期低下の重要な理由です。これは主に、絶縁フィルム自体の電気化学的安定性と機械的特性の欠如、および繰り返し充電プロセス中の絶縁フィルムへの電解質の浸透によるものです。絶縁膜の乾燥により、バッテリーのオーム抵抗が増加し、充放電チャネルの混雑、不完全な充放電、バッテリー容量が初期状態に戻らなくなり、バッテリー容量が大幅に低下します。と耐用年数。

6.正と負の材料が落ちる

正と負の活性物質は、バインダーによってマトリックスに固定されています。長期間の使用プロセス中、バインダーの故障とバッテリーの機械的振動により、正と負の活性物質が脱落し続け、電解液に入ります。これにより、電気化学反応に関与する可能性のある活性物質が継続的に減少し、バッテリーのサイクル寿命が継続的に短縮されます。

バインダーの長期安定性とバッテリーの優れた機械的特性により、バッテリーのサイクル寿命の低下が遅くなります。

7.外部使用要因

リチウムイオン電池は、充放電電圧、充放電比、動作温度範囲、保管温度範囲など、合理的な条件と使用範囲があります。ただし、実際の使用では、許容範囲を超えた乱用が非常に一般的です。 。長期間の不当な使用は、バッテリー内で不可逆的な化学反応を引き起こし、バッテリー機構の損傷を引き起こし、バッテリーの経年劣化を加速させ、サイクル寿命を急速に低下させます。深刻な、安全上の問題もあります。

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