Quais fatores afetam a capacidade de uma bateria?

Introdução

A inconsistência de capacidade entre as células da bateria de lítio é um dos principais fatores que levam à degradação do desempenho da bateria e a potenciais riscos à segurança. Essas diferenças surgem de múltiplas fontes em toda a bateria. ' ciclo de vida — incluindo processos de fabricação, propriedades dos materiais, parâmetros de projeto, condições de uso e influências ambientais.

Este artigo fornece uma análise sistemática das principais causas da variação da capacidade das células de bateria de lítio e oferece insights para ajudar a melhorar a consistência e a confiabilidade na produção de células e na integração de baterias.

I. Fatores do Processo de Fabricação

(1) Revestimento e calandragem De viagens

1. Espessura de revestimento irregular

Diferenças na espessura ou densidade do revestimento dos materiais ativos do cátodo e do ânodo afetam diretamente a área de reação efetiva e a quantidade de intercalação de íons de lítio, levando a variações na capacidade da célula única. Durante o processo de revestimento, devido à influência da precisão do equipamento e da fluidez da pasta, a espessura do revestimento pode se tornar inconsistente.
Por exemplo, em regiões onde o revestimento é muito espesso, o caminho para a intercalação e desintercalação de íons de lítio se torna mais longo, a taxa de reação diminui e, portanto, a capacidade da célula é afetada. Por outro lado, em regiões onde o revestimento é muito fino, a área de reação efetiva do eletrodo diminui, levando também a uma redução na capacidade.

2. Flutuações de densidade de calandragem

A compactação excessiva pode danificar a estrutura do material do eletrodo (como a quebra da camada de grafite), reduzindo a eficiência da difusão de íons de lítio; a compactação insuficiente diminui a quantidade de material ativo por unidade de volume.
Durante a calandragem, flutuações na densidade de compactação afetam a porosidade do eletrodo e a resistência interna. Quando a densidade de compactação é muito alta, a porosidade do material do eletrodo diminui, os canais de difusão de íons de lítio são bloqueados e a capacidade diminui; quando a densidade de compactação é muito baixa, o teor de material ativo por unidade de volume diminui e a capacidade da célula também é afetada.

(2) Defeitos de enchimento e vedação de eletrólitos

1. Diferenças em eletrólito volume de injeção

A injeção insuficiente de eletrólito leva ao contato incompleto entre as folhas do eletrodo e o eletrólito, afetando a taxa de transporte de íons e causando degradação da capacidade.
O eletrólito é o meio de transporte de íons de lítio, e seu volume de injeção afeta diretamente o desempenho da célula. Se a quantidade de eletrólito injetada for insuficiente, a área de contato entre as folhas do eletrodo e o eletrólito diminui, a condução iônica diminui e a capacidade diminui gradualmente.

2. Baixo desempenho de vedação

A intrusão de umidade ou impurezas consome sais de lítio no eletrólito, destrói a estabilidade da interface do eletrodo e agrava a inconsistência de capacidade.
Durante a vedação, se a estanqueidade for insuficiente, umidade externa e impurezas podem entrar na célula e reagir com o sal de lítio presente no eletrólito, consumindo o sal de lítio e reduzindo o desempenho do eletrólito. A umidade e as impurezas também prejudicam a estabilidade da interface do eletrodo, afetando a intercalação e a desintercalação de íons de lítio, agravando assim a inconsistência de capacidade entre as células.

(3) Precisão insuficiente na classificação e classificação de células

Se o processo de classificação de células não selecionar rigorosamente células com parâmetros semelhantes, como capacidade e resistência interna, o desempenho inicial de células individuais dentro de um conjunto de baterias será disperso.
A classificação é uma etapa importante no processo de produção de células. Por meio de testes de carga e descarga, ela seleciona e combina células com capacidade e resistência interna semelhantes. Se a precisão da classificação for insuficiente e células com grandes diferenças nesses parâmetros forem agrupadas, o conjunto resultante terá um desempenho inicial inconsistente, o que pode causar problemas de sobrecarga ou descarga excessiva durante o uso, afetando tanto o desempenho quanto a vida útil da bateria.

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II. Fatores de material e design

(1) Diferenças no desempenho do material do eletrodo

1. Materiais catódicos

Por exemplo, em materiais ternários ( NCM ), flutuações nas proporções de níquel, cobalto e manganês, ou diferenças na estrutura cristalina do fosfato de ferro e lítio ( LFP ), afetam a capacidade de desintercalação de íons de lítio.
Os materiais catódicos são um dos principais fatores que determinam a capacidade da célula. Suas diferenças de desempenho afetam diretamente a capacidade da célula. Em materiais ternários, diferentes proporções de níquel-cobalto-manganês alteram a estrutura cristalina e as propriedades eletroquímicas, influenciando assim a desintercalação de íons de lítio. A variação da estrutura cristalina do fosfato de ferro-lítio também leva a diferentes propriedades eletroquímicas, que por sua vez afetam a capacidade da célula.

2. Materiais do ânodo

Proporções desiguais de mistura de materiais à base de grafite e silício ou diferenças no coeficiente de expansão das partículas de silício causam diferentes taxas de decaimento de capacidade durante o ciclo.
Durante a carga e a descarga, os materiais do ânodo se expandem e se contraem. Suas diferenças de desempenho afetam a vida útil do ciclo e a consistência da capacidade. Por exemplo, a mistura irregular de grafite e materiais à base de silício resulta em expansão e contração desiguais, o que afeta o desempenho do ciclo. Diferenças no coeficiente de expansão das partículas de silício causam graus variados de danos estruturais ao material do ânodo durante o ciclo, levando a diferentes taxas de decaimento da capacidade.

(2) Questões de correspondência e formulação de materiais

1. Má compatibilidade entre a interface do eletrólito e do eletrodo

Por exemplo, solventes de PC podem causar esfoliação da camada de grafite ou uma proporção inadequada de encadernador / agente condutor reduz a utilização de materiais ativos.
A compatibilidade entre a interface eletrólito-eletrodo é um fator-chave que afeta o desempenho da célula. A baixa compatibilidade pode danificar a estrutura do eletrodo e dificultar a intercalação e desintercalação de íons de lítio, reduzindo a utilização do material ativo. Por exemplo, o solvente de PC possui alta constante dielétrica e baixa viscosidade, mas pode causar esfoliação da camada de grafite, prejudicando o desempenho do ânodo. Uma proporção inadequada de ligante e agente condutor também reduz a utilização e a capacidade do material ativo.

2. Margem de projeto estrutural insuficiente

Se a redundância de capacidade adequada não for reservada no projeto, as células de baixa capacidade falharão primeiro quando os erros de fabricação se acumularem durante o ciclo.
Durante o projeto da célula, é necessário considerar as tolerâncias de fabricação e a degradação do desempenho, reservando redundância de capacidade suficiente. Sem margem de projeto suficiente, células de baixa capacidade podem facilmente atingir os limites de sobrecarga ou descarga excessiva durante o ciclo, resultando em falhas e afetando o desempenho geral da bateria.

III. Fatores de uso e envelhecimento

(1) Diferenças nos mecanismos de degradação do ciclo

1. Dissolução e colapso do cátodo

O carregamento e a descarga de longo prazo causam a dissolução dos íons de metais de transição, o que bloqueia os canais de íons de lítio e leva à perda irreversível de capacidade.
Durante o ciclo, ocorrem mudanças estruturais nos materiais do cátodo, e íons de metais de transição podem se dissolver no eletrólito. Esses íons podem se depositar na superfície do ânodo, bloqueando os canais de íons de lítio e reduzindo a eficiência de intercalação/desintercalação, resultando em declínio irreversível da capacidade.

2. Espessamento do filme SEI do ânodo

Ciclagens repetidas fazem com que a película de interfase eletrolítica sólida (SEI) na superfície do ânodo cresça continuamente, consumindo lítio ativo e aumentando a resistência interna, reduzindo assim a capacidade efetiva.
O filme SEI protege o ânodo de maior redução de eletrólitos, mas à medida que o ciclo continua, ele engrossa, consumindo lítio ativo e aumentando a resistência, diminuindo assim a capacidade efetiva da célula.

(2) Reações de revestimento de lítio e de interface

1. Revestimento de lítio

Carregamento em baixa temperatura, sobrecarga ou carregamento de alta corrente induzem a deposição de lítio na superfície do ânodo, consumindo lítio ativo e acelerando a degradação da capacidade.
Em condições de baixa temperatura, sobrecarga ou alta corrente, a taxa de intercalação de íons de lítio na superfície do ânodo pode exceder sua taxa de difusão, causando a deposição de lítio metálico — fenômeno conhecido como revestimento de lítio. Esse fenômeno consome lítio ativo, aumenta a resistência interna e reduz a eficiência de carga/descarga.

2. Bloqueio dos poros do separador por produtos de decomposição de eletrólitos

Produtos de decomposição de eletrólitos (por exemplo, LiF) obstruem os poros do separador, impedindo o transporte de íons. Durante o ciclo, a decomposição de eletrólitos produz subprodutos que podem bloquear os poros do separador, dificultando o transporte de íons e reduzindo o desempenho da célula.

(3) Efeitos do histórico de uso

Descarga excessiva, armazenamento em alta temperatura e outras operações inadequadas aceleram o envelhecimento das células. Quando células novas e velhas são misturadas, as diferenças de capacidade aumentam significativamente.
O histórico de uso das células afeta significativamente o desempenho e a capacidade. Operações inadequadas, como descarga excessiva ou armazenamento prolongado em altas temperaturas, aceleram o envelhecimento e a degradação da capacidade. A mistura de células novas e antigas causa grandes diferenças de desempenho, aumentando a variação da capacidade e a probabilidade de sobrecarga ou descarga excessiva, reduzindo assim o desempenho e a vida útil da bateria.

IV. Fatores Ambientais e Externos

(1) Distribuição desigual de temperatura

As células localizadas nas bordas e no centro de um pacote apresentam diferentes condições de dissipação de calor. Em áreas de alta temperatura, o envelhecimento celular acelera (por exemplo, a taxa de decomposição de eletrólitos aumenta) e a capacidade diminui mais rapidamente.
A temperatura é um fator crítico que afeta o desempenho da célula. Em uma bateria, a distribuição desigual da temperatura devido às condições variáveis de resfriamento causa degradação mais rápida em regiões de alta temperatura.

(2) Diferenças na taxa de autodescarga

Células com diferentes taxas de autodescarga (por exemplo, aquelas com maior teor de impurezas) exibem estados divergentes de carga (SOC) após longo armazenamento, resultando em diferenças de capacidade durante o carregamento e o descarregamento.
Autodescarga é a perda espontânea de carga durante o armazenamento. Diferenças nas taxas de autodescarga causam divergência de SOC, o que leva a comportamentos de capacidade distintos durante o uso.

(3) Falha de gerenciamento térmico

Quando o projeto de resfriamento é insuficiente, o superaquecimento local aumenta a resistência interna, reduz a eficiência de carga/descarga e diminui a utilização da capacidade.
O gerenciamento térmico garante que o conjunto opere dentro de uma faixa de temperatura adequada. A dissipação inadequada de calor causa superaquecimento local, maior resistência, menor eficiência e menor utilização da capacidade.

V. Conclusão

As diferenças na capacidade celular são o resultado dos efeitos combinados de flutuações do processo de fabricação (precisão de revestimento/injeção), propriedades intrínsecas do material (desempenho do material ativo do eletrodo), mecanismos de uso e envelhecimento (ciclovias de degradação) e desequilíbrio ambiental (temperatura/autodescarga).
Para melhorar a consistência da capacidade celular, as seguintes abordagens podem ser adotadas:

1. Melhore a consistência da fabricação:

Use alta precisão máquina de revestimento de eletrodos e processos de triagem automatizados para melhorar a precisão do revestimento e da injeção de eletrólitos. Combine rigorosamente células com parâmetros de capacidade e resistência interna semelhantes.

2. Otimizar materiais e design:

Desenvolver eletrólitos de estado sólido para suprimir reações colaterais, melhorar a compatibilidade eletrólito-eletrodo e aprimorar o desempenho do material do eletrodo.

3. Melhorar os sistemas de gerenciamento de baterias (BMS):

Aplique a tecnologia de balanceamento ativo para compensar diferenças de capacidade, monitorar o status de cada célula em tempo real e ajustar estratégias de carga/descarga prontamente para garantir o desempenho e a segurança da bateria.

Concluindo, pesquisas aprofundadas sobre as causas das diferenças de capacidade em células de baterias de lítio e a implementação de medidas de melhoria eficazes são de grande importância para melhorar o desempenho e a segurança dos conjuntos de baterias.