Faktor yang mempengaruhi rintangan dalaman bateri litium-ion

Faktor yang mempengaruhi rintangan dalaman bateri lithium-ion

Dengan penggunaan bateri litium, prestasinya terus menurun, terutamanya dimanifestasikan sebagai pereputan kapasiti, peningkatan rintangan dalaman, pengurangan kuasa, dll. Perubahan dalam rintangan dalaman bateri dipengaruhi oleh pelbagai keadaan penggunaan seperti suhu dan kedalaman nyahcas. Oleh itu, faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan dalaman bateri telah dihuraikan dari segi reka bentuk struktur bateri, prestasi bahan mentah, proses pembuatan, dan keadaan penggunaan.

Rintangan ialah rintangan yang dialami oleh arus yang mengalir melalui bahagian dalam bateri litium semasa operasi. Biasanya, rintangan dalaman bateri litium dibahagikan kepada rintangan dalaman ohmik dan rintangan dalaman terpolarisasi. Rintangan dalaman ohmik terdiri daripada bahan elektrod, elektrolit, rintangan diafragma, dan rintangan sentuhan pelbagai bahagian. Rintangan dalaman polarisasi merujuk kepada rintangan yang disebabkan oleh polarisasi semasa tindak balas elektrokimia, termasuk rintangan dalaman polarisasi elektrokimia dan rintangan dalaman polarisasi kepekatan. Rintangan dalaman ohmik bateri ditentukan oleh jumlah kekonduksian bateri, dan rintangan dalaman polarisasi bateri ditentukan oleh pekali resapan keadaan pepejal ion litium dalam bahan aktif elektrod.

Rintangan Ohmik

Rintangan dalaman ohmik terutamanya dibahagikan kepada tiga bahagian: impedans ion, impedans elektron, dan impedans sentuhan. Kami berharap rintangan dalaman bateri litium akan berkurangan apabila ia menjadi lebih kecil, jadi langkah khusus perlu diambil untuk mengurangkan rintangan dalaman Ohmik berdasarkan tiga aspek ini.

Impedans ion

Impedans ion bateri litium merujuk kepada rintangan yang dialami oleh penghantaran ion litium dalam bateri. Kelajuan penghijrahan ion litium dan kelajuan pengaliran elektron memainkan peranan yang sama penting dalam bateri litium, dan impedans ion dipengaruhi terutamanya oleh bahan elektrod, pemisah, dan elektrolit positif dan negatif. Untuk mengurangkan impedans ion, perkara berikut perlu dilakukan dengan baik:

Pastikan bahan elektrod positif dan negatif serta elektrolit mempunyai kebolehbasahan yang baik

Apabila mereka bentuk elektrod, adalah perlu untuk memilih ketumpatan pemadatan yang sesuai. Jika ketumpatan pemadatan terlalu tinggi, elektrolit tidak mudah direndam dan akan meningkatkan impedans ion. Untuk elektrod negatif, jika filem SEI yang terbentuk pada permukaan bahan aktif semasa cas dan nyahcas pertama terlalu tebal, ia juga akan meningkatkan impedans ion. Dalam kes ini, adalah perlu untuk menyesuaikan proses pembentukan bateri untuk menyelesaikan masalah.

Pengaruh elektrolit

Elektrolit harus mempunyai kepekatan, kelikatan, dan kekonduksian yang sesuai. Apabila kelikatan elektrolit terlalu tinggi, ia tidak kondusif untuk penyusupan antaranya dan bahan aktif elektrod positif dan negatif. Pada masa yang sama, elektrolit juga memerlukan kepekatan yang lebih rendah, yang juga tidak menguntungkan untuk aliran dan penyusupannya jika kepekatannya terlalu tinggi. Kekonduksian elektrolit adalah faktor terpenting yang mempengaruhi impedans ion, yang menentukan penghijrahan ion.

Kesan Diafragma terhadap Impedans Ion

Faktor utama yang mempengaruhi membran pada galangan ion termasuk: pengedaran elektrolit dalam membran, kawasan membran, ketebalan, saiz liang, keliangan, dan pekali tortuosity. Untuk diafragma seramik, ia juga perlu untuk mengelakkan zarah seramik daripada menyekat liang-liang diafragma, yang tidak kondusif untuk laluan ion. Sambil memastikan elektrolit menyusup sepenuhnya ke dalam membran, seharusnya tiada sisa elektrolit yang tersisa di dalamnya, mengurangkan kecekapan penggunaan elektrolit.

Impedans elektronik

Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi impedans elektronik, dan penambahbaikan boleh dibuat dari aspek seperti bahan dan proses.

Plat elektrod positif dan negatif

Faktor utama yang mempengaruhi impedans elektronik plat elektrod positif dan negatif ialah: sentuhan antara bahan hidup dan pengumpul, faktor bahan hidup itu sendiri, dan parameter plat elektrod. Bahan hidup perlu mempunyai sentuhan penuh dengan permukaan pengumpul, yang boleh dipertimbangkan dari lekatan kerajang tembaga pengumpul, substrat kerajang aluminium, dan buburan elektrod positif dan negatif. Keliangan bahan hidup itu sendiri, hasil sampingan permukaan zarah, dan pencampuran tidak sekata dengan agen konduktif semuanya boleh menyebabkan perubahan dalam galangan elektronik. Parameter plat elektrod, seperti ketumpatan rendah bahan hidup dan jurang zarah yang besar, tidak kondusif untuk pengaliran elektron.

Pemisah

Faktor utama yang mempengaruhi diafragma pada galangan elektronik termasuk: ketebalan diafragma, keliangan, dan produk sampingan semasa proses pengecasan dan nyahcas. Dua yang pertama mudah difahami. Selepas membuka sel bateri, selalunya didapati terdapat lapisan tebal bahan coklat pada diafragma, termasuk elektrod negatif grafit dan hasil sampingan tindak balasnya, yang boleh menyebabkan penyumbatan lubang diafragma dan mengurangkan hayat bateri.

Substrat pengumpul cecair

Bahan, ketebalan, lebar dan tahap sentuhan antara pengumpul dan elektrod semuanya boleh menjejaskan impedans elektronik. Pengumpulan cecair memerlukan pemilihan substrat yang belum teroksida atau dipasifkan, jika tidak, ia akan menjejaskan saiz impedans. Pematerian yang lemah antara kerajang aluminium kuprum dan telinga elektrod juga boleh menjejaskan galangan elektronik.

Impedans kenalan

Rintangan sentuhan terbentuk antara sentuhan kerajang aluminium kuprum dan bahan hidup, dan perlu memberi tumpuan kepada lekatan pes elektrod positif dan negatif.

Rintangan dalaman polarisasi

Fenomena potensi elektrod yang menyimpang daripada potensi elektrod keseimbangan apabila arus melalui elektrod dipanggil polarisasi elektrod. Polarisasi termasuk polarisasi ohmik, polarisasi elektrokimia, dan polarisasi kepekatan. Rintangan polarisasi merujuk kepada rintangan dalaman yang disebabkan oleh polarisasi antara elektrod positif dan negatif bateri semasa tindak balas elektrokimia. Ia boleh mencerminkan ketekalan dalam bateri, tetapi tidak sesuai untuk pengeluaran kerana pengaruh operasi dan kaedah. Rintangan dalaman polarisasi tidak tetap dan sentiasa berubah dari semasa ke semasa semasa proses pengecasan dan nyahcas. Ini kerana komposisi bahan aktif, kepekatan dan suhu elektrolit sentiasa berubah. Rintangan dalaman Ohmik mengikut hukum Ohmik, dan rintangan dalaman polarisasi meningkat dengan peningkatan ketumpatan arus, tetapi ia bukan hubungan linear. Ia selalunya meningkat secara linear dengan logaritma ketumpatan semasa.

Impak reka bentuk struktur

Dalam reka bentuk struktur bateri, sebagai tambahan kepada rivet dan kimpalan komponen struktur bateri itu sendiri, bilangan, saiz, kedudukan, dan faktor lain telinga bateri secara langsung mempengaruhi rintangan dalaman bateri. Pada tahap tertentu, meningkatkan bilangan kutub telinga boleh mengurangkan rintangan dalaman bateri dengan berkesan. Kedudukan kutub telinga juga mempengaruhi rintangan dalaman bateri. Bateri penggulungan dengan kedudukan telinga kutub di kepala kepingan kutub positif dan negatif mempunyai rintangan dalaman yang paling tinggi, dan berbanding dengan bateri penggulungan, bateri bertindan adalah bersamaan dengan berpuluh-puluh bateri kecil secara selari, dan rintangan dalamannya lebih kecil. .

Kesan prestasi bahan mentah

Bahan aktif positif dan negatif

Bahan elektrod positif dalam bateri litium adalah yang menyimpan litium, yang menentukan prestasi bateri lebih banyak. Bahan elektrod positif terutamanya meningkatkan kekonduksian elektronik antara zarah melalui salutan dan doping. Doping Ni meningkatkan kekuatan ikatan P-O, menstabilkan struktur LiFePO4/C, mengoptimumkan isipadu sel, dan mengurangkan galangan pemindahan cas bahan elektrod positif dengan berkesan. Peningkatan ketara dalam polarisasi pengaktifan, terutamanya dalam polarisasi pengaktifan elektrod negatif, adalah sebab utama polarisasi yang teruk. Mengurangkan saiz zarah elektrod negatif boleh mengurangkan polarisasi pengaktifan elektrod negatif dengan berkesan. Apabila saiz zarah pepejal elektrod negatif dikurangkan separuh, polarisasi pengaktifan boleh dikurangkan sebanyak 45%. Oleh itu, dari segi reka bentuk bateri, penyelidikan tentang penambahbaikan bahan elektrod positif dan negatif itu sendiri juga penting.

Ejen konduktif

Grafit dan karbon hitam digunakan secara meluas dalam bidang bateri litium kerana prestasi cemerlangnya. Berbanding dengan agen konduktif jenis grafit, menambahkan agen konduktif jenis karbon hitam ke elektrod positif mempunyai prestasi kadar bateri yang lebih baik, kerana agen konduktif jenis grafit mempunyai morfologi zarah seperti kepingan, yang menyebabkan peningkatan ketara dalam pekali tortuosity liang pada kadar yang tinggi, dan terdedah kepada fenomena resapan fasa cecair Li mengehadkan kapasiti nyahcas. Bateri dengan CNT ditambah mempunyai rintangan dalaman yang lebih kecil kerana berbanding dengan titik sentuhan antara grafit/karbon hitam dan bahan aktif, nanotiub karbon berserabut adalah selaras dengan bahan aktif, yang boleh mengurangkan impedans antara muka bateri.

Mengumpul cecair

Mengurangkan rintangan antara muka antara pengumpul dan bahan aktif dan meningkatkan kekuatan ikatan antara kedua-duanya adalah cara penting untuk meningkatkan prestasi bateri litium. Salutan salutan karbon konduktif pada permukaan kerajang aluminium dan menjalankan rawatan korona pada kerajang aluminium dengan berkesan boleh mengurangkan galangan antara muka bateri. Berbanding dengan kerajang aluminium konvensional, menggunakan kerajang aluminium bersalut karbon boleh mengurangkan rintangan dalaman bateri sebanyak kira-kira 65% dan mengurangkan peningkatan rintangan dalaman semasa penggunaan. Rintangan dalaman AC kerajang aluminium yang dirawat dengan korona boleh dikurangkan sebanyak kira-kira 20%. Dalam julat 20% hingga 90% SOC yang biasa digunakan, rintangan dalaman DC keseluruhan adalah agak kecil dan peningkatannya secara beransur-ansur berkurangan dengan peningkatan kedalaman nyahcas.

Pemisah

Pengaliran ion di dalam bateri bergantung kepada resapan ion Li melalui membran berliang dalam elektrolit. Keupayaan penyerapan cecair dan pembasahan membran adalah kunci untuk membentuk saluran aliran ion yang baik. Apabila membran mempunyai kadar penyerapan cecair yang lebih tinggi dan struktur berliang, ia boleh meningkatkan kekonduksian, mengurangkan impedans bateri, dan meningkatkan prestasi kadar bateri. Berbanding dengan membran asas biasa, membran seramik dan membran bersalut bukan sahaja dapat meningkatkan rintangan pengecutan suhu tinggi dengan ketara, tetapi juga meningkatkan keupayaan penyerapan cecair dan pembasahan. Menambah salutan seramik SiO2 pada membran PP boleh meningkatkan kapasiti penyerapan cecair membran sebanyak 17%. Sapukan 1 pada membran komposit PP/PE μ PVDF-HFP bagi m meningkatkan kadar sedutan membran daripada 70% kepada 82%, dan rintangan dalaman sel berkurangan lebih daripada 20%.

Faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan dalaman bateri dari segi proses pembuatan dan keadaan penggunaan terutamanya termasuk:

Faktor proses mempengaruhi

Slurries

Keseragaman penyebaran buburan semasa pencampuran buburan mempengaruhi sama ada agen pengalir boleh tersebar secara seragam dalam bahan aktif dan bersentuhan rapat dengannya, yang berkaitan dengan rintangan dalaman bateri. Dengan meningkatkan penyebaran berkelajuan tinggi, keseragaman penyebaran buburan boleh dipertingkatkan, menghasilkan rintangan dalaman bateri yang lebih kecil. Dengan menambah surfaktan, keseragaman pengagihan agen konduktif dalam elektrod boleh diperbaiki, dan polarisasi elektrokimia boleh dikurangkan untuk meningkatkan voltan nyahcas median.

Salutan

Ketumpatan permukaan adalah salah satu parameter utama dalam reka bentuk bateri. Apabila kapasiti bateri adalah malar, meningkatkan ketumpatan permukaan elektrod sudah pasti akan mengurangkan jumlah panjang pengumpul dan pemisah, dan rintangan dalaman Ohmic bateri juga akan berkurangan. Oleh itu, dalam julat tertentu, rintangan dalaman bateri berkurangan dengan peningkatan ketumpatan permukaan. Penghijrahan dan detasmen molekul pelarut semasa salutan dan pengeringan berkait rapat dengan suhu ketuhar, yang secara langsung mempengaruhi pengedaran pelekat dan agen konduktif dalam elektrod, dengan itu menjejaskan pembentukan grid konduktif dalam elektrod. Oleh itu, suhu salutan dan pengeringan juga merupakan proses penting untuk mengoptimumkan prestasi bateri.

Penekan roller

Pada tahap tertentu, rintangan dalaman bateri berkurangan dengan peningkatan ketumpatan pemadatan, apabila ketumpatan pemadatan meningkat, jarak antara zarah bahan mentah berkurangan, lebih banyak sentuhan antara zarah, lebih banyak jambatan dan saluran konduktif, dan impedans bateri berkurangan. Kawalan ketumpatan pemadatan terutamanya dicapai melalui ketebalan rolling. Ketebalan rolling yang berbeza mempunyai kesan yang ketara ke atas rintangan dalaman bateri. Apabila ketebalan rolling adalah besar, rintangan sentuhan antara bahan aktif dan pengumpul meningkat disebabkan oleh ketidakupayaan bahan aktif untuk melancarkan dengan ketat, mengakibatkan peningkatan dalam rintangan dalaman bateri. Dan selepas kitaran bateri, retak muncul pada permukaan elektrod positif bateri dengan ketebalan rolling yang lebih besar, yang akan meningkatkan lagi rintangan sentuhan antara bahan aktif permukaan elektrod dan pengumpul.

Masa pusing ganti bahagian tiang

Masa rak yang berbeza bagi elektrod positif mempunyai kesan yang ketara ke atas rintangan dalaman bateri. Masa rak adalah agak singkat, dan rintangan dalaman bateri meningkat dengan perlahan disebabkan oleh interaksi antara lapisan salutan karbon pada permukaan fosfat besi litium dan fosfat besi litium; Apabila dibiarkan tidak digunakan untuk masa yang lama (lebih daripada 23 jam), rintangan dalaman bateri meningkat dengan lebih ketara disebabkan oleh kesan gabungan tindak balas antara fosfat besi litium dan air dan kesan ikatan pelekat. Oleh itu, dalam pengeluaran sebenar, adalah perlu untuk mengawal ketat masa pusing ganti plat elektrod.

Suntikan

Kekonduksian ionik elektrolit menentukan rintangan dalaman dan ciri kadar bateri. Kekonduksian elektrolit adalah berkadar songsang dengan julat kelikatan pelarut, dan juga dipengaruhi oleh kepekatan garam litium dan saiz anion. Di samping mengoptimumkan penyelidikan kekonduksian, jumlah cecair yang disuntik dan masa rendaman selepas suntikan juga secara langsung mempengaruhi rintangan dalaman bateri. Sebilangan kecil cecair yang disuntik atau masa rendaman yang tidak mencukupi boleh menyebabkan rintangan dalaman bateri menjadi terlalu tinggi, sekali gus menjejaskan kapasiti bateri.

Kesan keadaan penggunaan

Suhu

Pengaruh suhu pada saiz rintangan dalaman adalah jelas. Semakin rendah suhu, semakin perlahan pengangkutan ion di dalam bateri, dan semakin besar rintangan dalaman bateri. Impedans bateri boleh dibahagikan kepada impedans pukal, impedans filem SEI, dan impedans pemindahan caj. Impedans pukal dan impedans filem SEI dipengaruhi terutamanya oleh kekonduksian ion elektrolit, dan trend variasinya pada suhu rendah adalah konsisten dengan aliran variasi kekonduksian elektrolit. Berbanding dengan peningkatan impedans pukal dan rintangan filem SEI pada suhu rendah, impedans tindak balas cas meningkat dengan lebih ketara dengan penurunan suhu. Di bawah -20 ℃, impedans tindak balas cas menyumbang hampir 100% daripada jumlah rintangan dalaman bateri.

SOC

Apabila bateri berada pada SOC yang berbeza, saiz rintangan dalamannya juga berbeza-beza, terutamanya rintangan dalaman DC secara langsung mempengaruhi prestasi kuasa bateri, yang mencerminkan prestasi sebenar bateri. Rintangan dalaman DC bateri litium meningkat dengan peningkatan kedalaman nyahcas bateri DOD, dan saiz rintangan dalaman pada asasnya kekal tidak berubah dalam julat nyahcas 10% hingga 80%. Secara amnya, rintangan dalaman meningkat dengan ketara pada kedalaman nyahcas yang lebih dalam.

Penyimpanan

Apabila masa penyimpanan bateri litium-ion meningkat, bateri terus menua dan rintangan dalamannya terus meningkat. Tahap variasi dalam rintangan dalaman berbeza-beza antara pelbagai jenis bateri litium. Selepas 9 hingga 10 bulan penyimpanan, kadar peningkatan rintangan dalaman bateri LFP adalah lebih tinggi daripada bateri NCA dan NCM. Kadar peningkatan rintangan dalaman adalah berkaitan dengan masa penyimpanan, suhu penyimpanan dan SOC penyimpanan

Kitaran

Sama ada penyimpanan atau berbasikal, kesan suhu pada rintangan dalaman bateri adalah konsisten. Semakin tinggi suhu berbasikal, semakin besar kadar peningkatan rintangan dalaman. Kesan selang kitaran yang berbeza pada rintangan dalaman bateri juga berbeza. Rintangan dalaman bateri meningkat dengan cepat dengan peningkatan kedalaman pengecasan dan nyahcas, dan peningkatan rintangan dalaman adalah berkadar terus dengan pengukuhan kedalaman pengecasan dan nyahcas. Sebagai tambahan kepada pengaruh kedalaman cas dan nyahcas semasa kitaran, voltan pemotongan pengecasan juga mempunyai kesan: terlalu rendah atau terlalu tinggi had atas voltan pengecasan akan meningkatkan galangan antara muka elektrod, dan terlalu rendah voltan had atas tidak dapat membentuk filem pempasifan dengan baik, manakala voltan had atas yang terlalu tinggi akan menyebabkan elektrolit teroksida dan terurai pada permukaan elektrod LiFePO4 untuk membentuk produk dengan kekonduksian yang rendah.

Lain-lain

Bateri litium automotif pasti mengalami keadaan jalan yang buruk dalam aplikasi praktikal, tetapi penyelidikan mendapati bahawa persekitaran getaran hampir tidak mempunyai kesan ke atas rintangan dalaman bateri litium semasa proses aplikasi.

Jangkaan

Rintangan dalaman ialah parameter penting untuk mengukur prestasi kuasa bateri litium-ion dan menilai jangka hayatnya. Lebih besar rintangan dalaman, lebih teruk prestasi kadar bateri, dan lebih cepat ia meningkat semasa penyimpanan dan berbasikal. Rintangan dalaman adalah berkaitan dengan struktur bateri, ciri bahan, dan proses pembuatan, dan berbeza dengan perubahan dalam suhu persekitaran dan keadaan cas. Oleh itu, membangunkan bateri rintangan dalaman yang rendah adalah kunci untuk meningkatkan prestasi kuasa bateri, dan menguasai perubahan dalam rintangan dalaman bateri adalah kepentingan praktikal yang besar untuk meramalkan hayat bateri.