I. Giriş
Önemli bir enerji depolama cihazı olarak lityum piller, elektrikli araçlar ve taşınabilir elektronik cihazlar gibi modern toplumda yaygın olarak uygulanmıştır. Bununla birlikte, lityum piller kullanım sırasında sadece pil performansını etkilemekle kalmaz, aynı zamanda yangınlar ve patlamalar gibi ciddi güvenlik sorunlarını da tetikleyebilir. Dahili direnç, lityum pil performansını ölçmek için temel göstergelerden biridir. İç dirençte bir artış, pil deşarj kapasitesinde bir azalmaya, kapasitede bir azalmaya ve kısaltılmış servis ömrüne yol açar. Bu nedenle, kısa devreler sırasında lityum pillerde iç direnç artışının nedenlerini incelemek önemli teorik ve pratik öneme sahiptir.
İi. Lityum pil iç direnci bileşimi
Bir lityum pilin iç direnci esas olarak ohm direnç ve polarizasyon direncinden oluşur. Ohmik direnç, elektrotların kendilerinin direncini, elektrolit çözeltisinin direncini, ayırıcının mikroporlarından geçen iyonların karşılaştığı direnci ve pozitif\/negatif elektrotlar ve ayırıcı arasındaki temas direncini içerir. Polarizasyon direnci, elektrokimyasal polarizasyon ve konsantrasyon polarizasyonu dahil olmak üzere pil şarjı ve deşarj sırasında elektrot polarizasyonu nedeniyle oluşan iletken dirençtir. Elektrokimyasal polarizasyon, elektrot reaksiyonlarının durgunluğundan kaynaklanırken, konsantrasyon polarizasyonu elektrot yüzeyinin yakınındaki iyon konsantrasyonundaki değişikliklerden kaynaklanır.
III. Kısa devreler sırasında lityum pillerde iç direnç artışının nedenlerinin analizi
(İ) Malzeme seviyesi kök nedenleri
1. Pozitif ve negatif aktif malzemelerin dengelenmesi
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 nm). Lityum dendritlerin büyümesi ayırıcıyı delerek pil kısa devreye neden olabilirken, aşırı kalın bir SEI filmi lityum iyon göçünü engelleyebilir ve pil iç direncini artırabilir.
2. Elektrolit Yaşlanma ve Arayüz Sorunları
Elektrolit ayrışma ürünleri (LIF, li₂co₃ gibi) elektrot yüzeyi üzerinde birikir ve yüksek empedanslı bir arayüz katmanı oluşturur. Yüksek sıcaklık veya aşırı şarj koşulları altında elektrolit viskozitesi artar ve lityum iyon taşıma verimliliği azalır. Örneğin, bir pil yüksek sıcaklık bir ortamda olduğunda, elektrolitin viskozitesi artar ve lityum iyonlarının göç hızı yavaşlar, bu da pil iç direncinde bir artışa yol açar.
3. akım toplayıcı ve sekme bozulması
Alüminyum\/bakır folyosun oksidasyonu veya korozyonu, temas direncinde (yüksek nispite ortamlarında yaygın olan) bir artışa yol açar. Sekme kaynak noktalarının veya malzeme yorgunluğunun (titreşim koşulları altında olduğu gibi) sanal kaynağı, yerel direncin çoğalmasına neden olur. Pil kullanımı sırasında, mevcut koleksiyoncu ve sekmeler çevresel faktörler nedeniyle oksidasyon veya korozyon geçirebilir ve bu da temas direncinde bir artışa yol açabilir. Aynı zamanda, sekme kaynak noktalarının veya malzeme yorgunluğunun sanal kaynağı da yerel direnci artırabilir.
(İi) Süreç kusurlarının süperpozisyon etkisi
1. Elektrot tabakalarının yetersiz kaplaması
Alan yoğunluğundaki dalgalanmalar (±% 5 veya daha fazla) eşit olmayan akım dağılımına ve lokal polarizasyon direncinde önemli bir artışa yol açar. Elektrot tabakalarının kaplanması eşit değilse, pilin içinde eşit olmayan akım dağılımına neden olur, belirli alanlar aşırı akım yoğunluğuna sahiptir, böylece lokal polarizasyon direncinde bir artışa neden olur.
2.İstifleme\/sarma işlemlerinde hatalar
Elektrot tabakalarının yanlış hizalanması, kenar çapraz temasına yol açar, mikro-kısa devreler ve ek empedans riskini artırır. Pil üretimi sırasında, istifleme veya sarma işleminde hatalar varsa, elektrot tabakalarının yanlış hizalanmasına neden olabilir, bu da kenar çapraz temasına yol açabilir, mikro-kısa devreler ve ek empedans riskini artırabilir.
3.Yetersiz elektrolit enjeksiyonu ve ıslatma
Elektrolit, iyon kanallarını bloke ederek ayırıcı gözeneklere (ıslatma derecesi <%90) tam olarak nüfuz etmez. Elektrolit ayırıcı gözeneklere tam olarak nüfuz etmezse, iyon kanallarını bloke eder, lityum iyonlarının göç oranını yavaşlatır ve pil iç direncini artırır.
(İii) Kullanım ortamının ve çalışma koşullarının etkisi
1.Düşük sıcaklık ortamı
Elektrolitin iyonik iletkenliği%50'den fazla azalır ve hem ohmik direnç hem de polarizasyon direnci artar. Düşük sıcaklık bir ortamda, elektrolitin iyonik iletkenliği önemli ölçüde azalır, bu da pil ohmik direnci ve polarizasyon direncinde bir artışa yol açar.
2.Yüksek oranlı şarj ve deşarj
Konsantrasyon polarizasyonu yoğunlaşır, voltaj platformu çöker ve etkili iç direnç% 20 artar - 40%. Bir pil yüksek oranlı şarj ve deşarj geçirdiğinde, elektrot yüzeyine yakınındaki iyon konsantrasyonu hızla değişir, bu da yoğunlaşan konsantrasyon polarizasyonuna ve pil etkili iç dirençte bir artışa yol açar.
3.Uzun süreli bisiklet yaşlanması
Aktif lityum kaybı ve elektrot gözenekliliğindeki azalma gibi kümülatif etkiler yıllık iç direnç büyüme oranının%5'i aşmasına neden olur. Bir pilin uzun süreli bisiklet kullanımı sırasında, aktif lityum yavaş yavaş tükenir ve elektrot gözenekliliği de azalır. Bu kümülatif etkiler yıllık iç direnç büyüme oranının%5'i aşmasına neden olur.
(İv) Kısa devrelerin neden olduğu yerel aşırı ısınma ve yapısal hasar
1.lokal aşırı ısınma
Kısa devre sırasında üretilen büyük akım, pilin içindeki yerel sıcaklıkta keskin bir artışa yol açar. Yüksek sıcaklıklar, elektrolit ayrışması ve elektrot malzemesi yapısındaki değişiklikler gibi pil iç malzemelerinin bozulmasını hızlandırır ve dahili direnci daha da artırır. Örneğin, bir pil kısa bir devre yaşadığında, kısa devre konumu büyük miktarda ısı üretir, lokal sıcaklığın yükselmesine ve elektrolit ayrışmasına neden olur, yüksek empedanslı bir arayüz katmanı oluşturur ve pil iç direncini arttırır.
2. -yapısal hasar
Kısa devre sırasında üretilen büyük akım ve ısı, akının içinde ayırıcı eritme ve elektrot malzemesi deformasyonu gibi yapısal hasara yol açabilir. Bu yapısal hasarlar, pilin iyon ve elektron taşıma kanallarını doğrudan etkiler ve bu da iç dirençte önemli bir artışa yol açar. Örneğin, bir kısa devre sırasında üretilen yüksek sıcaklık, ayırıcıyı eritebilir, pozitif ve negatif elektrotlar arasında doğrudan temasa neden olabilir, daha büyük bir kısa devre akımı oluşturur ve ayrıca elektrot malzemelerinin yapısına zarar verir, pil iç direncini arttırır.
IV. Çözüm
Kısa devreler sırasında lityum pillerde iç direnç artışının nedenleri, malzeme seviyesi kök nedenleri, süreç kusurlarının üst üste binme etkisi, kullanım ortamının ve çalışma koşullarının etkisi ve kısa devrelerin neden olduğu lokal aşırı ısınma ve yapısal hasar dahil olmak üzere çok yönlüdür. Bu faktörler birbirleriyle etkileşime girer ve kısa devreler sırasında lityum pillerde iç dirençte bir artışa yol açar. Bu nedenleri anlamak, lityum pillerin tasarımı, üretimi, kullanımı ve bakımı için büyük önem taşımaktadır. Pil tasarım aşamasında, akü iç direncini azaltmak için uygun malzemeler seçilmeli ve işlem parametreleri optimize edilmelidir. Pil kullanımı sırasında pil, yüksek sıcaklıklar, düşük sıcaklıklar ve yüksek nem gibi sert kullanım ortamlarından uzak tutulmalıdır ve pilin şarj ve deşarj oranı, pil servisi ömrünü uzatmak ve pil güvenliğini sağlamak için makul bir şekilde kontrol edilmelidir. Aynı zamanda, daha önce kısa devre geçirmiş olan piller için, daha ciddi güvenlik sorunlarının tetiklenmesini önlemek için zamanında tedavi yapılmalıdır. Gelecekteki araştırmalar, kısa devreler sırasında lityum pillerdeki iç direnç artışı mekanizmasını daha da incelemeli ve lityum pil performansını ve güvenliğini artırmak için daha etkili pil yönetimi ve koruma teknolojileri geliştirmelidir.