Apa Dampak Negatif dari Kekurangan Elektrolit pada Baterai Lithium?

Sebagai media inti untuk pengangkutan ion litium-di dalam baterai, elektrolit memainkan peran penting sebagai "konduktor ion", "pelindung antarmuka elektroda", dan "jembatan transfer muatan". Kuantitasnya harus benar-benar disesuaikan dengan ukuran elektroda, porositas, dan volume enkapsulasi baterai untuk memastikan bahan aktif elektroda cukup basah dan jalur pengangkutan ion litium-tidak terhalang. Elektrolit yang tidak mencukupi (dalam industri disebut sebagai "di bawah-elektrolit") bukan sekadar masalah kurangnya media; hal ini mengganggu keseimbangan elektrokimia internal baterai, memicu serangkaian reaksi berantai yang menyebabkan penurunan kinerja dan kegagalan keselamatan. Sebagian besar kerusakan ini tidak dapat diperbaiki, sehingga sangat berdampak pada masa pakai dan keselamatan baterai. Analisis berikut, berdasarkan prinsip kerja baterai yang sebenarnya, merinci dampak negatif spesifik dan mekanisme yang mendasarinya.

Untuk memudahkan pemahaman yang jelas, pertama-tama mari kita perjelas premis inti: Fungsi inti elektrolit adalah untuk melarutkan garam litium (seperti LiPF6, LiFSI, dll.), menyediakan ion litium yang bergerak bebas, sekaligus membasahi bahan aktif elektroda positif dan negatif (seperti bahan terner, litium besi fosfat, grafit, dll.) dan pemisah, membangun antarmuka elektroda/elektrolit yang stabil (film SEI, film CEI), memastikan pengangkutan ion litium yang efisien dan stabil antara positif dan negatif elektroda.

Dampak paling langsung dan intuitif dari kekurangan elektrolit adalah kapasitas pengosongan sebenarnya baterai jauh lebih rendah daripada kapasitas desain, dan penurunan kapasitas ini tidak dapat diubah, dan terus memburuk seiring bertambahnya jumlah siklus. Mekanisme intinya terletak pada kenyataan bahwa bahan aktif elektroda positif dan negatif tidak dapat sepenuhnya dibasahi oleh elektrolit; hanya sejumlah kecil bahan aktif permukaan yang dapat berpartisipasi dalam reaksi penyisipan/ekstraksi ion litium, sementara sejumlah besar bahan aktif internal tetap "menganggur" dan tidak dapat melakukan aktivitas elektrokimia.

Dari perspektif struktural, elektroda positif dan negatif berpori (dengan porositas biasanya antara 30% dan 50%). Elektrolit harus mengisi pori-pori ini sepenuhnya agar ion litium dapat menghubungi setiap partikel aktif. Jika elektrolit tidak mencukupi, fase elektrolit kontinu tidak dapat terbentuk di dalam pori-pori, dan ion litium hanya dapat bergerak dalam area terbatas pada permukaan elektroda. Hal ini secara signifikan mengurangi jumlah ion litium yang berpartisipasi dalam reaksi elektrokimia, mencegah pelepasan kapasitas penuh yang dirancang selama pelepasan.

Selain itu, dalam keadaan{0}}elektrolit rendah, selama pengisian pertama, beberapa bahan aktif yang tidak dibasahi tidak dapat membentuk lapisan antarmuka yang stabil. Bahkan dengan pengisian elektrolit berikutnya, bahan aktif ini kemungkinan tidak akan kembali aktif, menyebabkan penurunan kapasitas yang tidak dapat diubah dan mencegah pemulihan ke nilai desain melalui siklus pengisian.

ACEY-BCT560-64PPenguji Kapasitas Baterai Lithiumadalah solusi sempurna untuk menguji dan mengevaluasi kinerja baterai litium-ion. Peralatan-tercanggih-ini dilengkapi teknologi canggih untuk mengukur dan menganalisis berbagai parameter secara akurat termasuk voltase, arus, suhu, dan lainnya.

Resistansi internal baterai lithium terutama terdiri dari tiga bagian: resistansi ohmik, resistansi transfer muatan, dan resistansi difusi. Elektrolit yang tidak mencukupi menyebabkan peningkatan yang signifikan pada dua komponen terakhir, yang pada akhirnya menyebabkan peningkatan tajam pada total resistansi internal baterai, yang pada gilirannya memengaruhi efisiensi pengisian/pengosongan dan kinerja keluaran.

Di satu sisi, peningkatan resistensi transfer muatan: Resistensi transfer muatan terutama terjadi pada antarmuka elektroda/elektrolit, bergantung pada film antarmuka yang stabil dan elektrolit yang cukup untuk transfer muatan. Ketika elektrolit tidak mencukupi, permukaan elektroda tidak cukup dibasahi, dan lapisan antar muka (film SEI, film CEI) tidak dapat ditutupi secara merata. Resistensi terhadap penyisipan/ekstraksi ion litium pada permukaan elektroda meningkat, memperlambat transfer muatan dan menyebabkan resistensi transfer muatan meningkat secara eksponensial. Di sisi lain, peningkatan resistensi difusi: Laju difusi ion litium dalam elektrolit berhubungan langsung dengan kontinuitas dan konsentrasi elektrolit. Elektrolit yang tidak mencukupi menyebabkan konsentrasi elektrolit tidak merata, dan beberapa area bahkan menjadi area kosong yang "bebas elektrolit". Jalur difusi ion litium terhalang, jarak difusi menjadi lebih panjang, dan resistensi difusi meningkat secara signifikan.

Performa siklus adalah indikator inti masa pakai baterai litium, yang mengacu pada kemampuan baterai mempertahankan kapasitas stabil selama siklus pengisian-pengosongan berulang. Elektrolit yang tidak mencukupi menyebabkan penurunan tajam dalam kinerja siklus dan rentan terhadap fenomena abnormal seperti penurunan kapasitas secara tiba-tiba dan signifikan setelah satu siklus. Ini pada dasarnya adalah lingkaran setan yang disebabkan oleh meningkatnya resistensi internal.

Seperti disebutkan sebelumnya, kekurangan elektrolit menyebabkan peningkatan resistensi internal. Konsekuensi inti dari peningkatan resistansi internal adalah peningkatan pemanasan lokal selama pengisian dan pengosongan baterai (menurut hukum Joule Q=I²Rt, dengan arus konstan, resistansi internal yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak panas yang dihasilkan). Panas berlebih yang terlokalisasi mempercepat penguraian elektrolit-pada suhu tinggi, elektrolit mengalami reaksi redoks, menghasilkan gas seperti CO₂ dan HF, serta zat inert, yang selanjutnya mengonsumsi sisa elektrolit dan menyebabkan elektrolit semakin tidak mencukupi. Secara bersamaan, suhu tinggi juga merusak lapisan film stabil pada antarmuka elektroda/elektrolit (film SEI akan pecah dan terbentuk kembali). Film SEI yang pecah akan menggunakan ion litium dan elektrolit lagi untuk memperbaiki dirinya sendiri, sehingga semakin meningkatkan resistensi transfer muatan.

Lingkaran setan "tingkat elektrolit rendah → peningkatan resistansi internal → pemanasan lokal → dekomposisi elektrolit → tingkat elektrolit rendah yang diperburuk" menyebabkan kapasitas baterai terus menurun selama siklus, dan laju penurunan semakin cepat. Ketika jumlah siklus mencapai tingkat tertentu, lapisan antarmuka gagal total, atau elektrolit habis, terjadi penurunan kapasitas yang signifikan. Selain itu, tingkat elektrolit yang rendah juga menyebabkan konsistensi kapasitas yang buruk selama siklus baterai. Dalam paket baterai seri multi-sel, sel dengan tingkat elektrolit rendah akan menurun terlebih dahulu, sehingga menurunkan kinerja dan masa pakai seluruh paket baterai.

Timbulnya panas yang disebabkan oleh kekurangan elektrolit merupakan hubungan penting antara penurunan kinerja dan kegagalan keselamatan. Pembangkitan panas terutama berasal dari dua sumber, yang memiliki efek kumulatif, yang menyebabkan suhu baterai sangat tinggi dan berpotensi menimbulkan risiko awal hilangnya panas.

• Pembangkitan Panas Katalitik Karena Resistansi Internal

Seperti disebutkan sebelumnya, kekurangan elektrolit menyebabkan peningkatan tajam dalam resistansi internal, yang secara signifikan meningkatkan panas Joule yang dihasilkan selama pengisian dan pengosongan. Selain itu, karena kekurangan elektrolit, kapasitas pembuangan panasnya sendiri juga menurun (elektrolit juga memiliki fungsi pembuangan panas tertentu, menghantarkan panas yang dihasilkan oleh elektroda ke casing baterai).

• Pembangkitan Panas Reaksi Abnormal

Elektrolit yang tidak mencukupi menyebabkan ketidakstabilan pada film antarmuka elektroda, sehingga rentan terhadap reaksi samping. Hal ini terlihat dari peningkatan suhu casing baterai secara signifikan selama pengisian dan pengosongan (suhu pengisian dan pengosongan normal biasanya 20-45 derajat , namun baterai dengan elektrolit yang tidak mencukupi dapat naik hingga di atas 50 derajat ), terutama terlihat selama pengisian daya, terkadang bahkan menjadi "panas saat disentuh". Jika baterai berada pada tingkat pengisian dan pengosongan yang tinggi, panas yang dihasilkan akan semakin meningkat, berpotensi melebihi suhu penguraian elektrolit (biasanya di atas 60 derajat ), mempercepat penguraian elektrolit dan penuaan elektroda, sehingga menimbulkan potensi bahaya keselamatan jika terjadi kegagalan berikutnya. Selain itu, panas yang dihasilkan dalam waktu lama dapat menyebabkan deformasi casing baterai dan penuaan lapisan penutup, sehingga berpotensi menyebabkan kebocoran elektrolit dan semakin memperburuk kondisi baterai.

ACEY-BCT506-512Halat uji pelepasan muatan bateraimenggunakan perangkat pemantauan dan kontrol elektronik modern alih-alih pekerjaan manual untuk memantau tegangan-waktu nyata, arus, kapasitas, energi, status pembentukan, dan parameter lain dari pembentukan baterai terdistribusi secara waktu nyata, mendiagnosis dan menangani kesalahan, mencatat dan menganalisis data yang relevan, sehingga mewujudkan pemrosesan tanpa pengawasan dan batch dalam proses pembentukan, Perangkat lunak kontrol komputer untuk pemantauan dan pemeliharaan peralatan terpusat.

Ini adalah dampak negatif paling serius dari kekurangan elektrolit, yang secara langsung memengaruhi keamanan baterai dan merupakan salah satu mode kegagalan utama untuk-baterai yang kekurangan elektrolit. Penyebab utama pelapisan litium adalah: kekurangan elektrolit menyebabkan pembasahan lokal yang buruk pada elektroda negatif, sehingga pembentukan film SEI tidak merata. Ion litium tidak dapat tertanam dengan baik di antara lapisan grafit dan hanya dapat menyimpan litium logam pada permukaan elektroda negatif (yaitu, "pelapisan litium"), menyebabkan kontak langsung antara elektroda positif dan negatif di dalam baterai, sehingga memicu korsleting internal.

Korsleting internal menghasilkan panas dalam jumlah besar secara instan, menyebabkan suhu baterai meningkat tajam (melebihi 100 derajat secara instan), yang menyebabkan pelepasan panas. Suhu tinggi menyebabkan elektrolit terurai dengan cepat, menghasilkan sejumlah besar gas yang mudah terbakar dan meledak (seperti CO dan CH4). Tekanan internal baterai meningkat tajam, yang pada akhirnya menyebabkan casing baterai pecah dan bocor. Jika gas bersentuhan dengan udara, atau jika suhu internal mencapai titik penyalaan bahan elektrolit atau elektroda, gas tersebut dapat terbakar atau bahkan meledak. Selain itu, bahkan tanpa korsleting internal, litium logam yang disimpan akan bereaksi dengan elektrolit, mengonsumsi elektrolit dan ion litium, sehingga semakin mempercepat penurunan kinerja baterai dan bahaya keselamatan. Saat membongkar baterai dengan elektrolit yang sangat tidak mencukupi, endapan logam litium bahkan dapat terlihat langsung pada permukaan elektroda negatif, dan rentan terhadap penyalaan.

Kekurangan elektrolit pada baterai litium bukanlah "cacat kecil", melainkan menyebabkan kerusakan permanen pada baterai dari dalam ke luar, sehingga memengaruhi kinerja, masa pakai, dan keselamatan. Dampaknya menunjukkan karakteristik "reaksi berantai": elektrolit yang tidak mencukupi → pembasahan yang tidak memadai → pengangkutan ion litium yang terhambat → peningkatan resistansi internal → peningkatan pembangkitan panas → dekomposisi elektrolit → memburuknya kekurangan elektrolit → pengendapan litium → korsleting internal → kebakaran dan ledakan. Dalam produksi dan penggunaan sebenarnya, jumlah elektrolit yang digunakan harus dikontrol dengan ketat, biasanya dihitung secara tepat berdasarkan parameter seperti porositas elektroda dan volume baterai untuk menghindari masalah kekurangan elektrolit.

Jika baterai menunjukkan penurunan jangkauan yang signifikan (penurunan kapasitas melebihi 20%), pemanasan tidak normal selama pengisian dan pengosongan, tegangan pengisian yang terlalu tinggi, tegangan pengosongan yang terlalu rendah, atau penurunan kapasitas yang tajam selama siklus, hal ini mungkin mengindikasikan kekurangan elektrolit. Inspeksi dan pemeliharaan yang tepat waktu sangat penting untuk mencegah kerusakan baterai atau insiden keselamatan lebih lanjut. Untuk paket baterai besar seperti baterai daya dan baterai penyimpan energi, kekurangan elektrolit juga dapat mempengaruhi stabilitas seluruh sistem, sehingga memerlukan perhatian terfokus dan pencegahan.

Hubungi sekarang