Какие проблемы литиевых аккумуляторов решит твердый электролит

Многие ученые считают твердотельные литий-ионные батареи будущим аккумуляторных технологий. Распространенные ныне литиевые аккумуляторы с жидким электролитом деградируют по вине негативных химических реакций, происходящих во время циклов «заряд-разряд». Исследователи обобщили эти реакции и выделили типичные сценарии деградации. Затем они посмотрели, каким образом твердый электролит сможет решить проблемы.

Можно выделить три главных последствия деградации литий-ионных элементов:

Потеря номинальной емкости. В итоге аккумулятор утрачивает способность удовлетворять энергетические потребности оборудования в течение нужного времени.
Увеличение внутреннего объема, которое приводит к вздутию и повреждению ячеек.
Тепловой разгон. В результате цепной реакции роста температуры литиевая батарея может повредиться, а в крайнем случае – воспламениться или взорваться.

Почему производители переходят с NMC на LFP-аккумуляторы

1. Потеря номинальной емкости

Литиевые аккумуляторы с жидким электролитом теряют емкость по мере старения из-за потери активного лития. После многократных циклов «заряд-разряд» на поверхности анода растёт пленка SEI, что снижает ионную проводимость. В итоге ионы лития не могут вовремя внедриться в анод и начинают накапливаться на пленке. Это приводит к снижению общей емкости аккумулятора, увеличению внутреннего сопротивления. Осаждение лития особенно выражено при высокой скорости зарядки или низких температурах. Со временем внутри ячеек появляются литиевые наросты (дендриты), которые могут вызвать внутреннее короткое замыкание.

Решение:

Химически стабильный твердотельный электролит замедляет скорость утолщения пленки SEI, что снижает расход ионов лития во время зарядки и разрядки. При этом литиевый аккумулятор медленнее теряет емкость, а образование дендритов уменьшается.

К сожалению, нынешние твердые полимерные электролиты не сильно отличаются по химической стабильности от жидких. Однако ученые ищут перспективные материалы. Например, литий-лантан-циркониевый оксид (LLZO) обладает нужной химической стабильностью по отношению к металлическому литию, высокой ионной проводимостью и термостойкостью.

2. Увеличение внутреннего объема ячейки

Разбухание аккумуляторной ячейки происходит из-за образования газов в результате разложения электролита. Процесс разложения ускоряется при перенапряжении или перегреве литиевого аккумулятора. Непрерывное расширение ячейки может привести к повреждению ее структуры, пожару или взрыву.

Решение:

Твердый электролит нелегко окисляется положительным электродом, что замедляет скорость разложения и газообразования. В итоге степень разбухания ячейки снижается. Кроме того, он способен без разложения выдерживать напряжение свыше 5 В. Увеличение максимального напряжения также позволяет повысить плотность энергии.

вздутие литий-ионного аккумуляторного элемента

3. Тепловой разгон

Это цепной процесс, при котором рост температуры вызывает экзотермические химические реакции, которые приводят к дальнейшему нагреву. Тепловой разгон случается из-за физического повреждения или брака ячеек, внешнего или внутреннего короткого замыкания, чрезмерного заряда, жаркой внешней среды. Экстремальные температуры (80–150°С) вызывают разрушение пленки SEI на катоде. Жидкий электролит начинает непосредственно контактировать с высокоактивными материалами, что приводит к образованию газов, быстрому повышению внутреннего давления и дальнейшему нагреву. После распада катода выделяется много тепловой энергии и кислорода, после чего возникает опасность воспламенения или взрыва.

Учёные из Астралии разработали эффективные кислородно-ионные аккумуляторы

Решение:

Твердый электролит медленно испаряется при высоких температурах и не воспламеняется, что повышает планку начала теплового разгона. Однако здесь многое зависит от термической стабильности различных электролитных химсоставов. Например, твердые полимерные электролиты начинают разрушаться при 280–300°C, а оксидные керамические выдерживают нагрев до 1000°C.

Материалы сайта не подлежат использованию кем-либо, в какой бы-то ни было форме, включая воспроизведение, распространение, переработку, не иначе как с письменного разрешения редакции Forklift.Blog.

Темы этой статьи:

Тяговые АКБ

Литий-ионные АКБ

Автор статьи: Энергинский К.А.
Специалист по аккумуляторной технологии
Автор-эксперт в области литий-ионных аккумуляторов

Опубликовано: 28 January 2022