I. Inleiding
Lithiumbatterijen, als een belangrijk energieopslagapparaat, zijn op grote schaal toegepast in de moderne samenleving, zoals in elektrische voertuigen en draagbare elektronische apparaten. Lithiumbatterijen kunnen echter kortweg korting ervaren tijdens gebruik, wat niet alleen de prestaties van de batterij beïnvloedt, maar ook ernstige veiligheidsproblemen van de batterij kan veroorzaken, zoals branden en explosies. Interne weerstand is een van de belangrijkste indicatoren voor het meten van de prestaties van lithiumbatterijen. Een toename van de interne weerstand leidt tot een afname van batterijafvoercapaciteit, een vermindering van de capaciteit en een verkorte levensduur. Daarom heeft het bestuderen van de oorzaken van interne weerstandstoename in lithiumbatterijen tijdens korte circuits een belangrijke theoretische en praktische betekenis.
II. Samenstelling van de interne weerstand van lithiumbatterijen
De interne weerstand van een lithiumbatterij bestaat voornamelijk uit ohmweerstand en polarisatieweerstand. Ohmweerstand omvat de weerstand van de elektroden zelf, de weerstand van de elektrolytoplossing, de weerstand die wordt aangetroffen door ionen die door de microporiën van de separator gaan en de contactweerstand tussen de positieve\/negatieve elektroden en de separator. Polarisatieweerstand is de geleidende weerstand die wordt gevormd als gevolg van elektrodepolarisatie tijdens het laden en ontladen van batterijen, inclusief elektrochemische polarisatie en concentratiepolarisatie. Elektrochemische polarisatie wordt veroorzaakt door de traagheid van elektrode -reacties, terwijl concentratiepolarisatie wordt veroorzaakt door veranderingen in ionenconcentratie nabij het elektrodeoppervlak.
Iii. Analyse van de oorzaken van interne weerstandstoename in lithiumbatterijen tijdens kortsluiting
(I) Oorzaken op materiaalniveau
1. Uitbraak van positieve en negatieve actieve materialen
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). De groei van lithiumdendrieten kan de scheider doorboren, waardoor een batterij kortsluiting veroorzaakt, terwijl een overmatig dikke SEI -film de migratie van lithiumionen kan belemmeren en de interne weerstand van de batterij kan verhogen.
2. Electrolyte veroudering en interfaceproblemen
Elektrolytontledingsproducten (zoals LIF, Li₂co₃) accumuleren zich op het elektrodeoppervlak en vormen een interface-laag met hoge impedantie. Onder hoge temperatuur- of overbelastingsomstandigheden neemt de viscositeit van de elektrolyt toe en neemt de efficiëntie van lithiumiontransport af. Wanneer een batterij zich bijvoorbeeld in een omgeving op hoge temperatuur bevindt, neemt de viscositeit van de elektrolyt toe en vertraagt de migratiesnelheid van lithiumionen naar beneden, wat leidt tot een toename van de interne weerstand van de batterij.
3. Current Collector en Tab Degradatie
Oxidatie of corrosie van aluminium\/koperen folie leidt tot een toename van de contactweerstand (gebruikelijk in omgevingen met een hoge vochtigheid). Virtueel lassen van laspunten of materiaalvermoeidheid (zoals onder trillingsomstandigheden) veroorzaakt lokale weerstand om te vermenigvuldigen. Tijdens het gebruik van batterijen kunnen de huidige verzamelaar en tabbladen oxidatie of corrosie ondergaan als gevolg van omgevingsfactoren, wat leidt tot een toename van de contactweerstand. Tegelijkertijd kan virtueel lassen van laspunten of materiaalvermoeidheid ook de lokale weerstand vergroten.
(Ii) Superpositie -effect van procesdefecten
1.Uneven Coating of Electrode Sheets
Schommelingen in oppervlaktedichtheid (± 5% of meer) leiden tot ongelijke stroomverdeling en een significante toename van de lokale polarisatieweerstand. Als de coating van elektrodebladen ongelijk is, zal dit resulteren in ongelijke stroomverdeling in de batterij, waarbij bepaalde gebieden overmatig hoge stroomdichtheden hebben, waardoor een toename van de lokale polarisatieweerstand wordt veroorzaakt.
2.Fouten bij het stapelen van\/wikkelingsprocessen
Verkeerde uitlijning van elektrodebladen leidt tot randbraamcontact, waardoor het risico op micro-korte circuits en extra impedantie toeneemt. Tijdens de productie van batterijen, als er fouten zijn in het stapel- of wikkelingsproces, kan dit een verkeerde uitlijning van elektrodenbladen veroorzaken, wat leidt tot randbraamcontact, waardoor het risico op micro-korte circuits en extra impedantie toeneemt.
3.Onvoldoende elektrolytinjectie en bevochtiging
De elektrolyt dringt niet volledig door in de separatorporiën (bevochtigingsdiploma <90%), waarbij ionkanalen worden geblokkeerd. Als de elektrolyt niet volledig de separatorporiën binnendringt, zal deze ionkanalen blokkeren, de migratiesnelheid van lithiumionen vertragen en de interne weerstand van de batterij verhogen.
(Iii) impact van gebruiksomgeving en bedrijfsomstandigheden
1.Lage-temperatuuromgeving
De ionische geleidbaarheid van de elektrolyt neemt af met meer dan 50%, en zowel ohmweerstand als polarisatieweerstand nemen toe. In een omgeving met een lage temperatuur neemt de ionische geleidbaarheid van de elektrolyt aanzienlijk af, wat leidt tot een toename van de ohmweerstand van de batterij en polarisatieweerstand.
2.Hoge snelheid opladen en ontladen
Concentratiepolarisatie wordt toeneemt, het spanningsplatform stort in en effectieve interne weerstand neemt toe met 20% - 40%. Wanneer een batterij met hoge laad en ontladen met een hoge snelheid ondergaat, verandert de ionenconcentratie nabij het elektrodeoppervlak snel, wat leidt tot een geïntensiveerde concentratiepolarisatie en een toename van de effectieve interne weerstand van de batterij.
3.Langdurige fietsveroudering
Cumulatieve effecten zoals actief lithiumverlies en een afname van de porositeit van elektrode leiden tot een jaarlijkse interne weerstandsgroeisnelheid van meer dan 5%. Tijdens het langetermijncyclinggebruik van een batterij, neemt actief lithium geleidelijk uit en neemt ook de porositeit van de elektrode af. Deze cumulatieve effecten leiden tot een jaarlijkse interne weerstandsgroei van meer dan 5%.
(Iv) Lokale oververhitting en structurele schade veroorzaakt door kort circuits
1. Locale oververhitting
De grote stroom die wordt gegenereerd tijdens een kortsluiting leidt tot een sterke toename van de lokale temperatuur in de batterij. Hoge temperaturen versnellen de afbraak van interne materialen van de batterij, zoals de ontleding van elektrolyt en veranderingen in de structuur van de elektrodemateriaal, waardoor de interne weerstand verder toeneemt. Wanneer een batterij bijvoorbeeld een kortsluiting ervaart, genereert de kortsluitlocatie een grote hoeveelheid warmte, waardoor de lokale temperatuur stijgt en de ontleding van elektrolyt, waardoor een interface-laag met hoge impedantie wordt gevormd en de interne weerstand van de batterij toeneemt.
2. Structurele schade
De enorme stroom en warmte die tijdens een kortsluiting wordt gegenereerd, kunnen leiden tot structurele schade in de batterij, zoals het smelten van separatoren en de vervorming van het elektrodenmateriaal. Deze structurele schade heeft direct invloed op de ion- en elektronentransportkanalen van de batterij, wat leidt tot een significante toename van de interne weerstand. De hoge temperatuur die tijdens een kortsluiting wordt gegenereerd, kan bijvoorbeeld de separator smelten, waardoor direct contact tussen de positieve en negatieve elektroden wordt veroorzaakt, een grotere kortsluitstroom vormt en ook de structuur van de elektrodenmaterialen beschadigt, waardoor de interne weerstand van de batterij toeneemt.
IV. Conclusie
De oorzaken van interne weerstandstoename in lithiumbatterijen tijdens kort circuits zijn veelzijdig, inclusief oorzaken op materiaalniveau, het superpositie-effect van procesdefecten, de impact van gebruiksomgeving en bedrijfsomstandigheden en lokale oververhitting en structurele schade veroorzaakt door korte circuits. Deze factoren interageren met elkaar en leiden gezamenlijk tot een toename van de interne weerstand in lithiumbatterijen tijdens korte circuits. Het begrijpen van deze oorzaken is van groot belang voor het ontwerp, de productie, het gebruik en het onderhoud van lithiumbatterijen. In de batterijontwerpstadium moeten geschikte materialen worden geselecteerd en worden zesparameters geoptimaliseerd om de interne weerstand van de batterij te verminderen. Tijdens het gebruik van batterijen moet de batterij uit de buurt van harde gebruiksomgevingen worden gehouden, zoals hoge temperaturen, lage temperaturen en hoge luchtvochtigheid, en het oplaad- en ontlaadsnelheid van de batterij moet redelijkerwijs worden geregeld om de levensduur van de batterijservice te verlengen en de batterijveiligheid te waarborgen. Tegelijkertijd moet voor batterijen die al een kortsluiting hebben meegemaakt, tijdige behandeling worden uitgevoerd om te voorkomen dat er meer ernstige veiligheidsproblemen worden veroorzaakt. Toekomstig onderzoek zou zich verder moeten verdiepen in het mechanisme van interne weerstandstoename in lithiumbatterijen tijdens kort circuits en effectievere batterijbeheer- en beschermingstechnologieën ontwikkelen om de prestaties en veiligheid van de lithiumbatterij te verbeteren.