Examen de los tres principales fenómenos de falla de las baterías de litio líquido y cómo se pueden

Al examinar las reacciones negativas que ocurren en las baterías de litio durante el ciclo, podemos resumir los efectos de estas reacciones en tres escenarios principales de degradación de la batería y observar el impacto de los electrolitos sólidos en los fenómenos de degradación.

1. Pérdida de capacidad de la batería de litio líquido

Durante el ciclo, debido a la expansión o contracción del volumen de los electrodos positivo y negativo, la película SEI se fisionará y seguirá creciendo. El proceso de crecimiento de la película SEI consumirá litio activo, lo que provocará una disminución de la capacidad total de la batería y un aumento de la resistencia interna; además, cuando se carga, el electrodo positivo está en un estado altamente oxidado y es probable que ocurra la transición de fase de reducción. Los metales de transición en la estructura, como los iones de cobalto, precipitan en el electrolito y se difunden al electrodo negativo, catalizando el crecimiento adicional de la película SEI, lo que resulta en el consumo de litio activo. Al mismo tiempo, debido a la estructura del electrodo positivo, cuando se daña el electrodo negativo, el potencial del electrodo negativo disminuye durante la carga y el Li+ se difunde desde el electrodo positivo y se intercala en el electrodo negativo. Cuando la temperatura es demasiado baja o la corriente de carga es demasiado alta, la velocidad de intercalación del litio metálico se reduce y se precipita directamente del electrodo negativo. En la superficie, el efecto de polarización es más severo. Además de causar la pérdida de litio activo y aumentar la resistencia interna, también formará dendritas de litio letales, que a la larga provocarán cortocircuitos internos.

Teóricamente, los iones en sí mismos no se mueven cuando la batería de estado sólido funciona, por lo que se reducirán las reacciones irreversibles. Si se utiliza un electrolito de estado sólido que es electroquímicamente estable con el litio, también se pueden ralentizar problemas como el SEI y la degradación del electrolito, lo que puede reducir efectivamente el consumo de iones de litio durante la carga y la descarga. La magnitud de la disminución de la capacidad puede reducir o inhibir la generación de dendritas de litio. Por ejemplo, el óxido de litio, lantano y circonio (LLZO) con estructura granate en electrolitos de óxido tiene una excelente estabilidad química, mientras que los electrolitos poliméricos sólidos todavía están compuestos por sal de litio y matriz polimérica, por lo que su estabilidad química no es muy diferente a la del líquido. electrolitos poliméricos.

2. Expansión de volumen de la batería de litio líquido

El aumento de volumen se debe principalmente al alto estado de oxidación del electrodo positivo durante la carga. El oxígeno libre en la red cristalina es fácil de precipitar y luego se oxida con el electrolito para generar dióxido de carbono y oxígeno, que causan gradualmente la hinchazón durante los ciclos de carga y descarga. La descomposición del electrolito se acelera cuando el voltaje es superior a 4,35 V (sistema ternario) o en un ambiente de alta temperatura, lo que resulta en una expansión continua de la celda de la batería, lo que afectará al menos la configuración de los componentes del dispositivo y provocará dañar la estructura de la celda de la batería y provocar incendios y explosiones.

El electrolito sólido no es fácil de oxidar con el electrodo positivo debido a la estabilidad química antes mencionada, que puede ralentizar la tasa de descomposición y gasificación del electrolito y reducir en gran medida el grado de expansión del volumen. Además, el electrolito sólido puede soportar voltajes superiores a 5V sin descomposición, por lo que la tecnología de serie interna ya no está fuera de alcance. De hecho, el aumento del voltaje de una sola celda puede ahorrar parte del BMS y la derivación, y mejorar en gran medida la densidad de energía y el costo del módulo. Ya ha atraído a Nissan y otras empresas a invertir en investigación y desarrollo durante más de diez años, pero no ha podido superar el problema de la descomposición de electrolitos bajo alta presión.

3. Fuga térmica de la batería de litio líquido

La fuga térmica es el riesgo más dañino e impredecible de las baterías de litio. Cuando el núcleo de la batería se daña por una fuerza externa y provoca un cortocircuito o un cortocircuito interno o una sobrecarga, la temperatura dentro del núcleo de la batería aumentará en consecuencia. Una vez que sube a 130 °C, la película SEI comienza a desintegrarse, y hace que el electrolito orgánico entre en contacto directamente con los electrodos positivo y negativo altamente activos, por lo que se produce una gran cantidad de descomposición y reacciones exotérmicas, lo que resulta en un rápido aumento de la temperatura. y la presión interna, y se genera una gran cantidad de gas para provocar una rápida expansión de la batería. Después de alcanzar la temperatura crítica, el electrodo positivo se desintegra, liberando más energía térmica y oxígeno, y la superposición de muchos factores hace que la reacción en cadena de calentamiento, descomposición y liberación de calor se intensifique, y finalmente se encienda y explote.

Si el electrolito de polímero y el separador, que originalmente comenzaron a generar una gran cantidad de gas inflamable y calor a alrededor de 150 °C, se reemplazan con un electrolito sólido que se vaporiza lentamente a altas temperaturas y no es inflamable, la reacción en cadena de fuga térmica se puede bloquear. Evitar accidentes por incendio y explosión es como sacar el salario del fondo de la olla. Sin embargo, existe una gran brecha en la estabilidad térmica de los diferentes sistemas de electrolitos. Por ejemplo, el punto de ignición de los electrolitos cerámicos de óxido está por encima de los 1000 grados, lo que puede bloquear por completo las reacciones de fuga térmica; y electrolitos poliméricos sólidos. Comenzará a desintegrarse a aproximadamente 280°C y tiene la peor estabilidad térmica. Hasta el momento, no ha habido ningún registro de prueba de baterías de polímero sólido que mantengan la estabilidad por encima de los 300 °C.