Mga salik na nakakaapekto sa panloob na paglaban ng mga baterya ng lithium-ion

Mga salik na nakakaapekto sa panloob na paglaban ng mga baterya ng lithium-ion

Sa paggamit ng mga baterya ng lithium, ang kanilang pagganap ay patuloy na bumababa, higit sa lahat ay ipinakita bilang pagkabulok ng kapasidad, pagtaas ng panloob na resistensya, pagbaba ng kuryente, atbp. Ang mga pagbabago sa panloob na resistensya ng baterya ay naiimpluwensyahan ng iba't ibang mga kondisyon ng paggamit tulad ng temperatura at lalim ng paglabas. Samakatuwid, ang mga salik na nakakaapekto sa panloob na paglaban ng baterya ay inilarawan sa mga tuntunin ng disenyo ng istraktura ng baterya, pagganap ng hilaw na materyal, proseso ng pagmamanupaktura, at mga kondisyon ng paggamit.

Ang paglaban ay ang paglaban na nararanasan ng kasalukuyang dumadaloy sa loob ng baterya ng lithium sa panahon ng operasyon. Karaniwan, ang panloob na paglaban ng mga baterya ng lithium ay nahahati sa ohmic internal resistance at polarized internal resistance. Ang Ohmic internal resistance ay binubuo ng electrode material, electrolyte, diaphragm resistance, at contact resistance ng iba't ibang bahagi. Ang polarization internal resistance ay tumutukoy sa paglaban na dulot ng polariseysyon sa panahon ng electrochemical reactions, kabilang ang electrochemical polarization panloob na resistensya at konsentrasyon polarization panloob na pagtutol. Ang ohmic internal resistance ng isang baterya ay tinutukoy ng kabuuang conductivity ng baterya, at ang polarization internal resistance ng baterya ay tinutukoy ng solid-state diffusion coefficient ng lithium ions sa electrode active material.

Paglaban sa Ohmic

Ang panloob na pagtutol ng Ohmic ay pangunahing nahahati sa tatlong bahagi: impedance ng ion, impedance ng elektron, at impedance ng contact. Inaasahan namin na ang panloob na resistensya ng mga baterya ng lithium ay bababa habang lumiliit ang mga ito, kaya kailangang gumawa ng mga partikular na hakbang upang mabawasan ang panloob na resistensya ng Ohmic batay sa tatlong aspetong ito.

Ion impedance

Ang ion impedance ng isang lithium battery ay tumutukoy sa paglaban na naranasan ng pagpapadala ng mga lithium ions sa loob ng baterya. Ang bilis ng paglipat ng mga lithium ions at bilis ng pagpapadaloy ng elektron ay gumaganap ng pantay na mahalagang mga tungkulin sa mga baterya ng lithium, at ang impedance ng ion ay pangunahing naiimpluwensyahan ng mga positibo at negatibong materyales ng electrode, separator, at electrolyte. Upang mabawasan ang ion impedance, ang mga sumusunod na puntos ay kailangang gawin nang maayos:

Tiyakin na ang mga positibo at negatibong electrode na materyales at electrolyte ay may mahusay na pagkabasa

Kapag nagdidisenyo ng elektrod, kinakailangan na pumili ng naaangkop na density ng compaction. Kung ang density ng compaction ay masyadong mataas, ang electrolyte ay hindi madaling magbabad at magpapataas ng ion impedance. Para sa negatibong elektrod, kung ang SEI film na nabuo sa ibabaw ng aktibong materyal sa panahon ng unang pagsingil at paglabas ay masyadong makapal, ito ay magpapataas din ng ion impedance. Sa kasong ito, kinakailangan upang ayusin ang proseso ng pagbuo ng baterya upang malutas ang problema.

Ang impluwensya ng electrolyte

Ang electrolyte ay dapat magkaroon ng naaangkop na konsentrasyon, lagkit, at kondaktibiti. Kapag ang lagkit ng electrolyte ay masyadong mataas, hindi ito nakakatulong sa pagpasok sa pagitan nito at ng mga aktibong sangkap ng positibo at negatibong mga electrodes. Kasabay nito, ang electrolyte ay nangangailangan din ng isang mas mababang konsentrasyon, na hindi rin kanais-nais para sa daloy at paglusot nito kung ang konsentrasyon ay masyadong mataas. Ang kondaktibiti ng electrolyte ay ang pinakamahalagang kadahilanan na nakakaapekto sa impedance ng ion, na tumutukoy sa paglipat ng mga ion.

Ang Epekto ng Diaphragm sa Ion Impedance

Ang pangunahing mga kadahilanan na nakakaimpluwensya ng lamad sa impedance ng ion ay kinabibilangan ng: pamamahagi ng electrolyte sa lamad, lugar ng lamad, kapal, laki ng butas, porosity, at koepisyent ng tortuosity. Para sa mga ceramic diaphragm, kinakailangan ding pigilan ang mga ceramic particle mula sa pagharang sa mga pores ng diaphragm, na hindi nakakatulong sa pagpasa ng mga ions. Habang tinitiyak na ang electrolyte ay ganap na nakapasok sa lamad, dapat ay walang natitirang electrolyte dito, na binabawasan ang kahusayan ng paggamit ng electrolyte.

Electronic impedance

Maraming mga kadahilanan na nakakaapekto sa electronic impedance, at ang mga pagpapabuti ay maaaring gawin mula sa mga aspeto tulad ng mga materyales at proseso.

Positibo at negatibong mga plato ng elektrod

Ang mga pangunahing kadahilanan na nakakaapekto sa electronic impedance ng positibo at negatibong mga plato ng elektrod ay: ang pakikipag-ugnay sa pagitan ng live na materyal at ng kolektor, ang mga kadahilanan ng live na materyal mismo, at ang mga parameter ng electrode plate. Ang buhay na materyal ay kailangang magkaroon ng ganap na pakikipag-ugnayan sa ibabaw ng kolektor, na maaaring isaalang-alang mula sa pagdirikit ng collector copper foil, aluminum foil substrate, at ang positive at negative electrode slurry. Ang porosity ng buhay na materyal mismo, mga by-product sa ibabaw ng mga particle, at hindi pantay na paghahalo sa mga conductive agent ay maaaring maging sanhi ng lahat ng mga pagbabago sa electronic impedance. Ang mga parameter ng electrode plate, tulad ng mababang density ng live matter at malalaking particle gaps, ay hindi nakakatulong sa electron conduction.

Mga separator

Ang pangunahing mga salik na nakakaimpluwensya ng diaphragm sa electronic impedance ay kinabibilangan ng: kapal ng diaphragm, porosity, at mga by-product sa panahon ng proseso ng pag-charge at pagdiskarga. Ang unang dalawa ay madaling maunawaan. Matapos i-disassembling ang cell ng baterya, madalas na makikita na mayroong isang makapal na layer ng brown na materyal sa diaphragm, kabilang ang graphite negative electrode at mga byproduct ng reaksyon nito, na maaaring maging sanhi ng pagbara ng diaphragm hole at bawasan ang buhay ng baterya.

Substrat sa pagkolekta ng likido

Ang materyal, kapal, lapad, at antas ng kontak sa pagitan ng kolektor at ng elektrod ay maaaring makaapekto sa electronic impedance. Ang pagkolekta ng likido ay nangangailangan ng pagpili ng substrate na hindi pa na-oxidized o na-passivated, kung hindi, makakaapekto ito sa laki ng impedance. Ang mahinang paghihinang sa pagitan ng copper aluminum foil at electrode ears ay maaari ding makaapekto sa electronic impedance.

Impedance ng contact

Ang contact resistance ay nabuo sa pagitan ng contact ng copper aluminum foil at live na materyal, at kinakailangan na tumuon sa pagdirikit ng positibo at negatibong electrode paste.

Polarisasyon panloob na pagtutol

Ang phenomenon ng electrode potential na lumilihis mula sa equilibrium electrode potential kapag ang kasalukuyang dumadaan sa electrode ay tinatawag na electrode polarization. Kasama sa polarization ang ohmic polarization, electrochemical polarization, at concentration polarization. Ang polarization resistance ay tumutukoy sa panloob na resistensya na dulot ng polariseysyon sa pagitan ng mga positibo at negatibong electrodes ng isang baterya sa panahon ng mga electrochemical reaction. Maaari itong ipakita ang pagkakapare-pareho sa loob ng baterya, ngunit hindi angkop para sa produksyon dahil sa impluwensya ng mga operasyon at pamamaraan. Ang panloob na resistensya ng polarization ay hindi pare-pareho at patuloy na nagbabago sa paglipas ng panahon sa panahon ng proseso ng pag-charge at pagdiskarga. Ito ay dahil ang komposisyon ng mga aktibong sangkap, ang konsentrasyon at temperatura ng electrolyte ay patuloy na nagbabago. Ang Ohmic internal resistance ay sumusunod sa Ohmic na batas, at ang polarization ay tumataas ang panloob na paglaban sa pagtaas ng kasalukuyang density, ngunit ito ay hindi isang linear na relasyon. Madalas itong tumataas nang linear sa logarithm ng kasalukuyang density.

Epekto sa disenyo ng istruktura

Sa disenyo ng mga istruktura ng baterya, bilang karagdagan sa riveting at welding ng mga bahagi ng istruktura ng baterya mismo, ang numero, laki, posisyon, at iba pang mga kadahilanan ng tainga ng baterya ay direktang nakakaapekto sa panloob na paglaban ng baterya. Sa isang tiyak na lawak, ang pagtaas ng bilang ng mga tainga ng poste ay maaaring epektibong mabawasan ang panloob na resistensya ng baterya. Ang posisyon ng pole ear ay nakakaapekto rin sa panloob na resistensya ng baterya. Ang paikot-ikot na baterya na may posisyon sa tainga ng poste sa ulo ng positibo at negatibong mga piraso ng poste ay may pinakamataas na panloob na resistensya, at kumpara sa paikot-ikot na baterya, ang nakasalansan na baterya ay katumbas ng dose-dosenang maliliit na baterya nang magkatulad, at ang panloob na pagtutol nito ay mas maliit. .

Epekto sa pagganap ng hilaw na materyal

Positibo at negatibong aktibong materyales

Ang positibong materyal ng elektrod sa mga baterya ng lithium ay ang nag-iimbak ng lithium, na higit na tumutukoy sa pagganap ng baterya. Ang positibong materyal ng elektrod ay pangunahing nagpapabuti sa electronic conductivity sa pagitan ng mga particle sa pamamagitan ng coating at doping. Ang doping ng Ni ay nagpapataas ng lakas ng mga P-O bond, nagpapatatag sa istraktura ng LiFePO4/C, nag-o-optimize sa dami ng cell, at epektibong binabawasan ang charge transfer impedance ng positive electrode material. Ang makabuluhang pagtaas sa activation polarization, lalo na sa negatibong electrode activation polarization, ay ang pangunahing dahilan para sa matinding polariseysyon. Ang pagbawas sa laki ng butil ng negatibong elektrod ay maaaring epektibong mabawasan ang activation polarization ng negatibong elektrod. Kapag ang solid particle size ng negatibong elektrod ay nabawasan ng kalahati, ang activation polarization ay maaaring mabawasan ng 45%. Samakatuwid, sa mga tuntunin ng disenyo ng baterya, ang pananaliksik sa pagpapabuti ng positibo at negatibong mga materyales ng elektrod mismo ay mahalaga din.

Konduktibong ahente

Ang graphite at carbon black ay malawakang ginagamit sa larangan ng mga bateryang lithium dahil sa mahusay na pagganap nito. Kung ikukumpara sa mga graphite type conductive agent, ang pagdaragdag ng carbon black type conductive agent sa positive electrode ay may mas mahusay na rate ng pagganap ng baterya, dahil ang graphite type conductive agent ay may flake tulad ng particle morphology, na nagiging sanhi ng isang makabuluhang pagtaas sa pore tortuosity coefficient sa mataas na rate, at madaling kapitan ng pangyayari ng Li liquid phase diffusion na naglilimita sa discharge capacity. Ang baterya na may mga idinagdag na CNT ay may mas maliit na panloob na resistensya dahil kung ihahambing sa puntong kontak sa pagitan ng graphite/carbon black at ng aktibong materyal, ang fibrous carbon nanotubes ay nasa linya na nakikipag-ugnayan sa aktibong materyal, na maaaring mabawasan ang interface impedance ng baterya.

Pagkolekta ng likido

Ang pagbabawas ng resistensya ng interface sa pagitan ng kolektor at ng aktibong materyal at pagpapabuti ng lakas ng pagbubuklod sa pagitan ng dalawa ay mahalagang paraan upang mapabuti ang pagganap ng mga baterya ng lithium. Ang patong na conductive carbon coating sa ibabaw ng aluminum foil at pagsasagawa ng corona treatment sa aluminum foil ay maaaring epektibong mabawasan ang interface impedance ng baterya. Kung ikukumpara sa maginoo na aluminum foil, ang paggamit ng carbon coated aluminum foil ay maaaring mabawasan ang panloob na resistensya ng baterya ng humigit-kumulang 65% at bawasan ang pagtaas ng panloob na resistensya habang ginagamit. Ang panloob na resistensya ng AC ng aluminum foil na ginagamot sa corona ay maaaring mabawasan ng halos 20%. Sa karaniwang ginagamit na hanay na 20% hanggang 90% SOC, ang kabuuang DC internal resistance ay medyo maliit at ang pagtaas nito ay unti-unting bumababa sa pagtaas ng discharge depth.

Mga separator

Ang pagpapadaloy ng ion sa loob ng baterya ay nakasalalay sa pagsasabog ng mga Li ion sa pamamagitan ng buhaghag na lamad sa electrolyte. Ang likidong pagsipsip at kakayahang mabasa ng lamad ay ang susi sa pagbuo ng isang mahusay na channel ng daloy ng ion. Kapag ang lamad ay may mas mataas na rate ng pagsipsip ng likido at porous na istraktura, maaari itong mapabuti ang kondaktibiti, bawasan ang impedance ng baterya, at pagbutihin ang rate ng pagganap ng baterya. Kung ikukumpara sa mga ordinaryong base lamad, ang mga ceramic na lamad at pinahiran na mga lamad ay hindi lamang maaaring makabuluhang mapabuti ang mataas na temperatura ng pag-urong paglaban ng lamad, ngunit mapahusay din ang likidong pagsipsip at kakayahang basa nito. Ang pagdaragdag ng SiO2 ceramic coatings sa mga lamad ng PP ay maaaring tumaas ang kapasidad ng pagsipsip ng likido ng lamad ng 17%. Ilapat ang 1 sa PP/PE composite membrane μ Pinapataas ng PVDF-HFP ng m ang suction rate ng lamad mula 70% hanggang 82%, at ang panloob na resistensya ng cell ay bumababa ng higit sa 20%.

Ang mga kadahilanan na nakakaapekto sa panloob na paglaban ng mga baterya sa mga tuntunin ng proseso ng pagmamanupaktura at mga kondisyon ng paggamit ay pangunahing kasama ang:

Nakakaimpluwensya ang mga salik ng proseso

Mga slurries

Ang pagkakapareho ng dispersion ng slurry sa panahon ng paghahalo ng slurry ay nakakaapekto kung ang conductive agent ay maaaring magkalat nang pantay sa aktibong materyal at malapit na makipag-ugnay dito, na nauugnay sa panloob na resistensya ng baterya. Sa pamamagitan ng pagtaas ng high-speed dispersion, ang pagkakapareho ng slurry dispersion ay maaaring mapabuti, na nagreresulta sa isang mas maliit na panloob na resistensya ng baterya. Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga surfactant, ang pagkakapareho ng pamamahagi ng mga conductive agent sa elektrod ay maaaring mapabuti, at ang electrochemical polarization ay maaaring mabawasan upang mapataas ang median discharge boltahe.

Patong

Ang density ng ibabaw ay isa sa mga pangunahing parameter sa disenyo ng baterya. Kapag ang kapasidad ng baterya ay pare-pareho, ang pagtaas ng densidad ng ibabaw ng elektrod ay hindi maiiwasang magbabawas sa kabuuang haba ng kolektor at separator, at bababa din ang Ohmic internal resistance ng baterya. Samakatuwid, sa loob ng isang tiyak na saklaw, ang panloob na paglaban ng baterya ay bumababa sa pagtaas ng density ng ibabaw. Ang paglipat at pag-detachment ng mga solvent molecule sa panahon ng coating at drying ay malapit na nauugnay sa temperatura ng oven, na direktang nakakaapekto sa pamamahagi ng mga adhesives at conductive agent sa loob ng electrode, at sa gayon ay nakakaapekto sa pagbuo ng conductive grids sa loob ng electrode. Samakatuwid, ang temperatura ng patong at pagpapatuyo ay isa ring mahalagang proseso para sa pag-optimize ng pagganap ng baterya.

Pagpindot ng roller

Sa isang tiyak na lawak, bumababa ang panloob na paglaban ng baterya sa pagtaas ng density ng compaction, habang tumataas ang density ng compaction, bumababa ang distansya sa pagitan ng mga particle ng hilaw na materyal, mas maraming contact sa pagitan ng mga particle, mas maraming conductive na tulay at channel, at ang impedance ng baterya bumababa. Ang kontrol ng compaction density ay pangunahing nakamit sa pamamagitan ng rolling kapal. Ang iba't ibang mga rolling kapal ay may malaking epekto sa panloob na paglaban ng mga baterya. Kapag malaki ang rolling thickness, tumataas ang contact resistance sa pagitan ng active substance at collector dahil sa kawalan ng kakayahan ng active substance na gumulong nang mahigpit, na nagreresulta sa pagtaas ng internal resistance ng baterya. At pagkatapos ng cycle ng baterya, lumilitaw ang mga bitak sa ibabaw ng positibong elektrod ng baterya na may mas malaking kapal ng rolling, na higit pang magpapataas ng contact resistance sa pagitan ng surface active substance ng electrode at ng collector.

Oras ng turnover ng bahagi ng poste

Ang iba't ibang oras ng pag-iimbak ng positibong elektrod ay may malaking epekto sa panloob na resistensya ng baterya. Ang oras ng pag-iimbak ay medyo maikli, at ang panloob na pagtutol ng baterya ay tumataas nang dahan-dahan dahil sa pakikipag-ugnayan sa pagitan ng layer ng carbon coating sa ibabaw ng lithium iron phosphate at lithium iron phosphate; Kapag hindi nagamit nang mahabang panahon (higit sa 23 oras), ang panloob na resistensya ng baterya ay tumataas nang mas malaki dahil sa pinagsamang epekto ng reaksyon sa pagitan ng lithium iron phosphate at tubig at ang epekto ng pagbubuklod ng pandikit. Samakatuwid, sa aktwal na produksyon, kinakailangan na mahigpit na kontrolin ang oras ng paglilipat ng mga plato ng elektrod.

Iniksyon

Tinutukoy ng ionic conductivity ng electrolyte ang panloob na paglaban at mga katangian ng rate ng baterya. Ang kondaktibiti ng electrolyte ay inversely proporsyonal sa hanay ng lagkit ng solvent, at naiimpluwensyahan din ng konsentrasyon ng mga lithium salt at ang laki ng mga anion. Bilang karagdagan sa pag-optimize ng pananaliksik sa kondaktibiti, ang dami ng likidong iniksyon at ang oras ng pagbabad pagkatapos ng iniksyon ay direktang nakakaapekto sa panloob na resistensya ng baterya. Ang isang maliit na halaga ng likido na na-injected o hindi sapat na oras ng pagbabad ay maaaring maging sanhi ng panloob na resistensya ng baterya na maging masyadong mataas, sa gayon ay nakakaapekto sa kapasidad ng baterya.

Epekto ng mga kondisyon ng paggamit

Temperatura

Ang impluwensya ng temperatura sa laki ng panloob na pagtutol ay halata. Kung mas mababa ang temperatura, mas mabagal ang transportasyon ng ion sa loob ng baterya, at mas malaki ang panloob na resistensya ng baterya. Ang impedance ng mga baterya ay maaaring nahahati sa bulk impedance, SEI film impedance, at charge transfer impedance. Ang bulk impedance at SEI film impedance ay pangunahing naiimpluwensyahan ng electrolyte ion conductivity, at ang kanilang pagkakaiba-iba na trend sa mababang temperatura ay pare-pareho sa electrolyte conductivity variation trend. Kung ikukumpara sa pagtaas ng bulk impedance at SEI film resistance sa mababang temperatura, ang charge reaction impedance ay tumataas nang mas malaki sa pagbaba ng temperatura. Sa ibaba -20 ℃, ang impedance ng reaksyon ng singil ay halos 100% ng kabuuang panloob na resistensya ng baterya.

SOC

Kapag ang baterya ay nasa ibang SOC, ang laki ng panloob na resistensya nito ay nag-iiba din, lalo na ang DC panloob na resistensya ay direktang nakakaapekto sa pagganap ng kapangyarihan ng baterya, na sumasalamin sa aktwal na pagganap ng baterya. Ang panloob na resistensya ng DC ng mga baterya ng lithium ay tumataas sa pagtaas ng lalim ng paglabas ng baterya na DOD, at ang laki ng panloob na resistensya ay nananatiling hindi nagbabago sa 10% hanggang 80% na saklaw ng paglabas. Sa pangkalahatan, ang panloob na resistensya ay tumataas nang malaki sa mas malalim na lalim ng paglabas.

Imbakan

Habang tumataas ang oras ng pag-iimbak ng mga baterya ng lithium-ion, patuloy na tumatanda ang mga baterya at patuloy na tumataas ang panloob na resistensya ng mga ito. Ang antas ng pagkakaiba-iba sa panloob na resistensya ay nag-iiba sa iba't ibang uri ng mga baterya ng lithium. Pagkatapos ng 9 hanggang 10 buwan ng pag-iimbak, ang internal resistance na pagtaas ng rate ng mga LFP na baterya ay mas mataas kaysa sa NCA at NCM na mga baterya. Ang pagtaas ng rate ng panloob na pagtutol ay nauugnay sa oras ng imbakan, temperatura ng imbakan, at SOC ng imbakan

Ikot

Maging ito ay imbakan o pagbibisikleta, ang epekto ng temperatura sa panloob na resistensya ng baterya ay pare-pareho. Kung mas mataas ang temperatura ng pagbibisikleta, mas malaki ang rate ng pagtaas sa panloob na pagtutol. Ang epekto ng iba't ibang mga agwat ng pag-ikot sa panloob na paglaban ng mga baterya ay iba rin. Ang panloob na resistensya ng mga baterya ay mabilis na tumataas sa pagtaas ng lalim ng pag-charge at pagdiskarga, at ang pagtaas ng panloob na pagtutol ay direktang proporsyonal sa pagpapalakas ng lalim ng pag-charge at pagdiskarga. Bilang karagdagan sa impluwensya ng lalim ng pagsingil at paglabas sa panahon ng pag-ikot, ang boltahe ng cutoff ng pagsingil ay mayroon ding epekto: masyadong mababa o masyadong mataas ang itaas na limitasyon ng boltahe sa pagsingil ay tataas ang interface impedance ng elektrod, at masyadong mababa ang Ang upper limit na boltahe ay hindi makakabuo ng isang passivation film nang maayos, habang masyadong mataas ang upper limit na boltahe ay magiging sanhi ng electrolyte na mag-oxidize at mabulok sa ibabaw ng LiFePO4 electrode upang bumuo ng mga produktong may mababang conductivity.

Iba pa

Ang mga automotive lithium na baterya ay hindi maiiwasang makaranas ng mahihirap na kondisyon ng kalsada sa mga praktikal na aplikasyon, ngunit natuklasan ng pananaliksik na ang kapaligiran ng vibration ay halos walang epekto sa panloob na resistensya ng mga baterya ng lithium sa panahon ng proseso ng aplikasyon.

Inaasahan

Ang panloob na resistensya ay isang mahalagang parameter para sa pagsukat ng pagganap ng kapangyarihan ng mga baterya ng lithium-ion at pagsusuri ng kanilang habang-buhay. Kung mas malaki ang panloob na resistensya, mas malala ang bilis ng pagganap ng baterya, at mas mabilis itong tumataas sa panahon ng pag-iimbak at pagbibisikleta. Ang panloob na resistensya ay nauugnay sa istraktura ng baterya, mga katangian ng materyal, at proseso ng pagmamanupaktura, at nag-iiba sa mga pagbabago sa temperatura ng kapaligiran at estado ng singil. Samakatuwid, ang pagbuo ng mababang panloob na resistensya ng mga baterya ay ang susi sa pagpapabuti ng pagganap ng lakas ng baterya, at ang pag-master ng mga pagbabago sa panloob na resistensya ng baterya ay may malaking praktikal na kahalagahan para sa paghula ng buhay ng baterya.