I. Introduktion
Lithiumbatterier, som en vigtig energilagringsenhed, er blevet anvendt i vid udstrækning i det moderne samfund, såsom i elektriske køretøjer og bærbare elektroniske enheder. Imidlertid kan lithiumbatterier opleve kortslutninger under brug, som ikke kun påvirker batteriets ydeevne, men også kan udløse alvorlige sikkerhedsproblemer, såsom brande og eksplosioner. Intern modstand er en af de vigtigste indikatorer til måling af lithiumbatteriydelse. En stigning i intern modstand fører til et fald i batteriafladningskapacitet, en reduktion i kapacitet og en forkortet levetid. Derfor har det at studere årsagerne til intern resistensstigning i lithiumbatterier under kortslutninger en vigtig teoretisk og praktisk betydning.
Ii. Sammensætning af intern modstand mod lithiumbatteri
Den interne modstand af et lithiumbatteri består hovedsageligt af ohmisk resistens og polarisationsmodstand. Ohmisk resistens inkluderer modstanden for selve elektroderne, elektrolytopløsningen, modstanden, modstanden, der er stødt på ioner, der passerer gennem mikroporerne af separatoren og kontaktmodstanden mellem de positive\/negative elektroder og separatoren. Polariseringsmodstand er den ledende modstand dannet på grund af elektrode -polarisering under batteriopladning og udledning, herunder elektrokemisk polarisering og koncentrationspolarisering. Elektrokemisk polarisering er forårsaget af træghed af elektrodreaktioner, mens koncentrationspolarisering er forårsaget af ændringer i ionkoncentration nær elektrodeoverfladen.
III. Analyse af årsagerne til intern resistensstigning i lithiumbatterier under kortslutninger
(I) rodårsager på materialeniveau
1. Nedbrydning af positive og negative aktive materialer
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). Væksten af lithium -dendritter kan punktere separatoren, hvilket forårsager en batteri kortslutning, mens en overdreven tyk SEI -film kan hindre lithiumionmigration og øge den indre modstand mod batteriet.
2.elektrolyt aldring og interfaceproblemer
Elektrolyt nedbrydningsprodukter (såsom LIF, Li₂co₃) akkumuleres på elektrodeoverfladen og danner et højimpedansgrænsefladelag. Under høje temperatur- eller overopladningsbetingelser øges elektrolytviskositeten, og lithiumionstransporteffektiviteten falder. For eksempel, når et batteri er i et højtemperaturmiljø, øges viskositeten af elektrolytten, og migrationshastigheden af lithiumioner bremser ned, hvilket fører til en stigning i intern resistens.
3. Start opsamler og nedbrydning af tab
Oxidation eller korrosion af aluminium\/kobberfolie fører til en stigning i kontaktbestandighed (almindelig i miljøer med høj fugtighed). Virtuel svejsning af faneblad svejsningspunkter eller materiale træthed (såsom under vibrationsbetingelser) får lokal modstand til at multiplicere. Under brug af batteri kan den nuværende samler og faner gennemgå oxidation eller korrosion på grund af miljøfaktorer, hvilket fører til en stigning i kontaktmodstand. På samme tid kan virtuel svejsning af faneblad svejsningspunkter eller materiel træthed også øge den lokale modstand.
(Ii) Superpositionseffekt af procesdefekter
1. Uvenbelægning af elektrodeark
Svingninger i arealtæthed (± 5% eller mere) fører til ujævn strømfordeling og en signifikant stigning i lokal polarisationsresistens. Hvis belægningen af elektrodeark er ujævn, vil det resultere i ujævn strømfordeling inde i batteriet, hvor visse områder har for høje strømtætheder, hvilket forårsager en stigning i lokal polarisationsmodstand.
2.Fejl i stabling\/viklingsprocesser
Forkert justering af elektrodeark fører til Edge Burr-kontakt, hvilket øger risikoen for mikro-short kredsløb og yderligere impedans. Under batteriproduktion, hvis der er fejl i stablings- eller viklingsprocessen, kan det forårsage forkert justering af elektrodeblad, hvilket fører til kantburr-kontakt, hvilket øger risikoen for mikro-short kredsløb og yderligere impedans.
3.Utilstrækkelig elektrolytinjektion og befugtning
Elektrolytten trænger ikke fuldt ud i separatorporerne (befugtningsgrad <90%) og blokerer ionkanaler. Hvis elektrolytten ikke fuldt ud trænger ind i separatorporerne, blokerer den for at blokere ionkanaler, bremse migrationshastigheden for lithiumioner og øge den indre modstand mod batteriet.
(Iii) Virkning af brugsmiljø og driftsforhold
1.Miljø med lav temperatur
Elektrolytens ioniske ledningsevne falder med mere end 50%, og både ohmisk resistens og polarisationsmodstand stiger. I et lavtemperaturmiljø falder elektrolytens ioniske ledningsevne markant, hvilket fører til en stigning i batteri-ohmisk resistens og polarisationsresistens.
2.Højhastighedsopladning og afladning
Koncentrationspolarisering intensiveres, spændingsplatformen kollapser, og effektiv intern modstand øges med 20% - 40%. Når et batteri gennemgår opladning og afladning af høj hastighed, ændres ionkoncentrationen nær elektrodeoverfladen hurtigt, hvilket fører til intensiveret koncentrationspolarisering og en stigning i batteri effektiv intern modstand.
3.Langvarig cykel aldring
Kumulative effekter, såsom aktivt lithiumtab og et fald i elektrodeporøsitet, fører til en årlig væksthastighed for intern modstand, der overstiger 5%. I løbet af den langsigtede cykling af et batteri udtømmes aktivt lithium gradvist, og elektrodeporøsiteten falder også. Disse kumulative effekter fører til en årlig væksthastighed for intern modstand, der overstiger 5%.
(Iv) Lokal overophedning og strukturel skade forårsaget af kortslutninger
1. Lokal overophedning
Den store strøm genereret under en kortslutning fører til en kraftig stigning i lokal temperatur inde i batteriet. Høje temperaturer fremskynder nedbrydningen af interne materialer i batteriet, såsom elektrolytnedbrydning og ændringer i elektrodematerialestruktur, hvilket yderligere øger den indre modstand. For eksempel, når et batteri oplever en kortslutning, genererer kortslutningsstedet en stor mængde varme, der får lokal temperatur til at stige og elektrolyt nedbrydning, danner et interface-lag med høj impedans og øger den intern modstand.
2. Strukturel skade
Den enorme strøm og varme, der genereres under en kortslutning, kan føre til strukturel skade inde i batteriet, såsom separatorsmeltning og deformation af elektrodemateriale. Disse strukturelle skader påvirker direkte batteriets ion- og elektrontransportkanaler, hvilket fører til en betydelig stigning i intern modstand. For eksempel kan den høje temperatur, der genereres under en kortslutning, smelte separatoren, forårsage direkte kontakt mellem de positive og negative elektroder, danne en større kortslutningsstrøm og også skade strukturen af elektrodematerialerne, hvilket øger den indre batteri.
Iv. Konklusion
Årsagerne til stigning i intern resistens i lithiumbatterier under kortslutninger er mangefacetterede, herunder rodårsager på materialiveau, superpositionseffekten af procesdefekter, virkningen af brugsmiljø og driftsbetingelser og lokal overophedning og strukturelle skader forårsaget af kortslutninger. Disse faktorer interagerer med hinanden, hvilket kollektivt fører til en stigning i intern resistens i lithiumbatterier under kortslutninger. At forstå disse årsager er af stor betydning for design, fremstilling, brug og vedligeholdelse af lithiumbatterier. I batteridesignstadiet skal passende materialer vælges, og procesparametre optimeres for at reducere intern modstand. Under brug af batteri skal batteriet holdes væk fra barske brugsmiljøer, såsom høje temperaturer, lave temperaturer og høj luftfugtighed, og batteriets opladnings- og afladningshastighed bør rimeligt kontrolleres for at udvide batteriets levetid og sikre batterisikkerhed. På samme tid, for batterier, der allerede har oplevet en kortslutning, bør rettidig behandling udføres for at undgå at udløse mere alvorlige sikkerhedsproblemer. Fremtidig forskning bør yderligere gå i dybden i mekanismen for intern resistensstigning i lithiumbatterier under kortslutninger og udvikle mere effektiv batteristyrings- og beskyttelsesteknologi for at forbedre lithiumbatteriets ydelse og sikkerhed.