Litium-ion batareyalarının daxili müqavimətinə təsir edən amillər

Litium-ion batareyalarının daxili müqavimətinə təsir edən amillər

Litium batareyaların istifadəsi ilə onların performansı azalmağa davam edir, əsasən tutumun azalması, daxili müqavimətin artması, gücün azalması və s. kimi özünü göstərir. Batareyanın daxili müqavimətindəki dəyişikliklərə temperatur və boşalma dərinliyi kimi müxtəlif istifadə şərtləri təsir edir. Buna görə də, batareyanın daxili müqavimətinə təsir edən amillər batareyanın strukturunun dizaynı, xammal performansı, istehsal prosesi və istifadə şərtləri baxımından işlənib hazırlanmışdır.

Müqavimət, əməliyyat zamanı litium batareyanın içərisindən keçən cərəyanın yaşadığı müqavimətdir. Adətən, litium batareyaların daxili müqaviməti ohmik daxili müqavimətə və qütbləşmiş daxili müqavimətə bölünür. Ohmik daxili müqavimət elektrod materialından, elektrolitdən, diafraqma müqavimətindən və müxtəlif hissələrin təmas müqavimətindən ibarətdir. Qütbləşmə daxili müqaviməti elektrokimyəvi reaksiyalar zamanı qütbləşmə nəticəsində yaranan müqavimətə, o cümlədən elektrokimyəvi qütbləşmənin daxili müqavimətinə və konsentrasiyanın qütbləşməsinin daxili müqavimətinə aiddir. Batareyanın ohmik daxili müqaviməti batareyanın ümumi keçiriciliyi ilə müəyyən edilir və batareyanın qütbləşmə daxili müqaviməti elektrod aktiv materialında litium ionlarının bərk vəziyyətdə diffuziya əmsalı ilə müəyyən edilir.

Ohmik Müqavimət

Om daxili müqavimət əsasən üç hissəyə bölünür: ion empedansı, elektron empedansı və kontakt empedansı. Ümid edirik ki, litium batareyalarının daxili müqaviməti kiçikləşdikcə azalacaq, ona görə də bu üç aspekt əsasında Ohmik daxili müqaviməti azaltmaq üçün xüsusi tədbirlər görülməlidir.

İon empedansı

Litium batareyanın ion empedansı, litium ionlarının batareyada ötürülməsi zamanı yaranan müqavimətə aiddir. Litium ionlarının miqrasiya sürəti və elektron keçirmə sürəti litium batareyalarında eyni dərəcədə mühüm rol oynayır və ion empedansına əsasən müsbət və mənfi elektrod materialları, ayırıcılar və elektrolit təsir göstərir. İon empedansını azaltmaq üçün aşağıdakı məqamları yaxşı yerinə yetirmək lazımdır:

Müsbət və mənfi elektrod materiallarının və elektrolitin yaxşı nəmlənmə qabiliyyətinə malik olduğundan əmin olun

Elektrodu dizayn edərkən, uyğun bir sıxılma sıxlığını seçmək lazımdır. Sıxılma sıxlığı çox yüksək olarsa, elektrolitin islanması asan deyil və ion empedansını artıracaqdır. Mənfi elektrod üçün, əgər ilk yükləmə və boşalma zamanı aktiv materialın səthində əmələ gələn SEI filmi çox qalın olarsa, bu da ion empedansını artıracaqdır. Bu vəziyyətdə problemi həll etmək üçün batareyanın formalaşması prosesini tənzimləmək lazımdır.

Elektrolitin təsiri

Elektrolit müvafiq konsentrasiyaya, özlülük və keçiriciliyə malik olmalıdır. Elektrolitin özlülüyü çox yüksək olduqda, onunla müsbət və mənfi elektrodların aktiv maddələri arasında infiltrasiyaya şərait yaratmır. Eyni zamanda, elektrolit də daha aşağı konsentrasiya tələb edir, bu da konsentrasiya çox yüksək olduqda onun axını və infiltrasiya üçün əlverişsizdir. Elektrolitin keçiriciliyi ionların miqrasiyasını təyin edən ion empedansına təsir edən ən vacib amildir.

Diafraqmanın ion empedansına təsiri

Membranın ion empedansına əsas təsir edən amillərə aşağıdakılar daxildir: elektrolitlərin membranda paylanması, membran sahəsi, qalınlığı, məsamə ölçüsü, məsaməlilik və əyilmə əmsalı. Keramika diafraqmaları üçün, həmçinin keramika hissəciklərinin ionların keçməsi üçün əlverişli olmayan diafraqmanın məsamələrini bağlamasının qarşısını almaq lazımdır. Elektrolitin membrana tam sızmasını təmin edərkən, onun içində elektrolitdən istifadənin səmərəliliyini azaldan qalıq elektrolit qalmamalıdır.

Elektron empedans

Elektron empedansa təsir edən bir çox amil var və təkmilləşdirmələr materiallar və proseslər kimi aspektlərdən edilə bilər.

Müsbət və mənfi elektrod plitələri

Müsbət və mənfi elektrod plitələrinin elektron empedansına təsir edən əsas amillər bunlardır: canlı material ilə kollektor arasındakı əlaqə, canlı materialın özünün amilləri və elektrod plitəsinin parametrləri. Canlı materialın kollektor səthi ilə tam təmasda olması lazımdır ki, bu da kollektor mis folqasının, alüminium folqa substratının və müsbət və mənfi elektrod məhlulunun yapışmasından hesab edilə bilər. Canlı materialın özünün məsaməliliyi, hissəciklərin səthi əlavə məhsulları və keçirici maddələrlə qeyri-bərabər qarışması elektron empedansın dəyişməsinə səbəb ola bilər. Canlı maddənin aşağı sıxlığı və böyük hissəcik boşluqları kimi elektrod plitəsinin parametrləri elektron keçiriciliyi üçün əlverişli deyil.

Ayırıcılar

Elektron empedansa diafraqmanın əsas təsir edən amillərinə aşağıdakılar daxildir: diafraqmanın qalınlığı, məsaməliliyi və doldurma və boşaltma prosesində əlavə məhsullar. İlk ikisini başa düşmək asandır. Batareya hüceyrəsini sökdükdən sonra tez-tez diafraqmada qalın qəhvəyi materialın, o cümlədən qrafit mənfi elektrodu və onun reaksiya məhsullarının olduğu aşkar edilir ki, bu da diafraqma dəliyinin tıxanmasına və batareyanın ömrünü azalda bilər.

Maye toplayan substrat

Material, qalınlıq, eni və kollektor və elektrod arasındakı əlaqə dərəcəsi elektron empedansa təsir göstərə bilər. Maye toplanması oksidləşməmiş və ya passivləşdirilməmiş substratın seçilməsini tələb edir, əks halda bu, empedans ölçüsünə təsir edəcəkdir. Mis alüminium folqa və elektrod qulaqları arasında zəif lehimləmə də elektron empedansa təsir göstərə bilər.

Kontakt empedansı

Təmas müqaviməti mis alüminium folqa ilə canlı materialın təması arasında formalaşır və müsbət və mənfi elektrod pastasının yapışmasına diqqət yetirmək lazımdır.

Polarizasiya daxili müqavimət

Elektroddan cərəyan keçdikdə elektrod potensialının tarazlıq elektrod potensialından kənara çıxması hadisəsinə elektrod polarizasiyası deyilir. Qütbləşməyə ohmik qütbləşmə, elektrokimyəvi qütbləşmə və konsentrasiya polarizasiyası daxildir. Qütbləşmə müqaviməti elektrokimyəvi reaksiyalar zamanı batareyanın müsbət və mənfi elektrodları arasında polarizasiya nəticəsində yaranan daxili müqavimətə aiddir. Batareyanın içərisindəki tutarlılığı əks etdirə bilər, lakin əməliyyatların və metodların təsiri səbəbindən istehsal üçün uyğun deyil. Qütbləşmənin daxili müqaviməti sabit deyil və doldurma və boşaltma prosesində zamanla daim dəyişir. Çünki aktiv maddələrin tərkibi, elektrolitin konsentrasiyası və temperaturu daim dəyişir. Ohmik daxili müqavimət Ohmik qanuna uyğundur və qütbləşmə daxili müqavimət artan cərəyan sıxlığı ilə artır, lakin bu, xətti əlaqə deyil. Çox vaxt cərəyan sıxlığının loqarifmi ilə xətti olaraq artır.

Struktur dizayn təsiri

Batareya konstruksiyalarının dizaynında, akkumulyatorun struktur komponentlərinin özlərinin pərçimlənməsi və qaynaqlanması ilə yanaşı, batareyanın qulağının sayı, ölçüsü, mövqeyi və digər amillər birbaşa batareyanın daxili müqavimətinə təsir göstərir. Qütb qulaqlarının sayını müəyyən dərəcədə artırmaq batareyanın daxili müqavimətini effektiv şəkildə azalda bilər. Qütb qulağının mövqeyi də batareyanın daxili müqavimətinə təsir göstərir. Müsbət və mənfi qütb hissələrinin başında dirək qulaq mövqeyi olan dolama batareyası ən yüksək daxili müqavimətə malikdir və dolama batareyası ilə müqayisədə yığılmış batareya paralel olaraq onlarla kiçik batareyaya bərabərdir və daxili müqaviməti daha kiçikdir. .

Xammal performansına təsir

Müsbət və mənfi aktiv maddələr

Litium batareyalarındakı müsbət elektrod materialı litium saxlayan materialdır ki, bu da batareyanın işini daha çox müəyyən edir. Müsbət elektrod materialı əsasən örtük və dopinq vasitəsilə hissəciklər arasında elektron keçiriciliyi yaxşılaşdırır. Ni-nin dopinqi P-O bağlarının gücünü artırır, LiFePO4/C-nin strukturunu sabitləşdirir, hüceyrə həcmini optimallaşdırır və müsbət elektrod materialının yük ötürülməsi empedansını effektiv şəkildə azaldır. Aktivləşdirmə qütbləşməsində, xüsusilə mənfi elektrod aktivləşdirmə qütbləşməsində əhəmiyyətli artım şiddətli qütbləşmənin əsas səbəbidir. Mənfi elektrodun hissəcik ölçüsünü azaltmaq mənfi elektrodun aktivləşdirmə polarizasiyasını effektiv şəkildə azalda bilər. Mənfi elektrodun bərk hissəcik ölçüsü yarıya qədər azaldıqda, aktivləşdirmə polarizasiyası 45% azaldıla bilər. Buna görə də, akkumulyator dizaynı baxımından müsbət və mənfi elektrod materiallarının özlərinin təkmilləşdirilməsi üzrə tədqiqatlar da vacibdir.

Keçirici agent

Qrafit və karbon qara, əla performansına görə litium batareyaları sahəsində geniş istifadə olunur. Qrafit tipli keçirici maddələrlə müqayisədə, müsbət elektroda karbon qara tipli keçirici maddələrin əlavə edilməsi batareyanın daha yaxşı performans sürətinə malikdir, çünki qrafit tipli keçirici maddələr hissəcik morfologiyasına bənzər bir lopa malikdir və bu, yüksək sürətlə məsamələrin əyilmə əmsalının əhəmiyyətli dərəcədə artmasına səbəb olur, və axıdma qabiliyyətini məhdudlaşdıran Li maye faza diffuziya fenomeninə meyllidir. Əlavə edilmiş CNT ilə batareya daha kiçik daxili müqavimətə malikdir, çünki qrafit/karbon qarası və aktiv material arasındakı nöqtə təması ilə müqayisədə, lifli karbon nanoborular aktiv material ilə xətt təmasdadır və bu, batareyanın interfeys empedansını azalda bilər.

Maye toplanması

Kollektor və aktiv material arasındakı interfeys müqavimətinin azaldılması və ikisi arasında bağlanma gücünün yaxşılaşdırılması litium batareyalarının işini yaxşılaşdırmaq üçün vacib vasitədir. Alüminium folqa səthində keçirici karbon örtüyünün örtülməsi və alüminium folqa üzərində korona müalicəsinin aparılması batareyanın interfeys empedansını effektiv şəkildə azalda bilər. Adi alüminium folqa ilə müqayisədə, karbon örtülmüş alüminium folqa istifadə edərək batareyanın daxili müqavimətini təxminən 65% azalda və istifadə zamanı daxili müqavimətin artımını azalda bilər. Korona ilə işlənmiş alüminium folqanın AC daxili müqaviməti təxminən 20% azaldıla bilər. Ümumi istifadə olunan 20% -dən 90% SOC diapazonunda ümumi DC daxili müqavimət nisbətən kiçikdir və onun artımı boşalma dərinliyinin artması ilə tədricən azalır.

Ayırıcılar

Batareyanın daxilində ion keçiriciliyi elektrolitdəki məsaməli membran vasitəsilə Li ionlarının yayılmasından asılıdır. Membranın maye udma və islatma qabiliyyəti yaxşı bir ion axını kanalı yaratmaq üçün açardır. Membran daha yüksək maye udma dərəcəsi və məsaməli quruluşa malik olduqda, keçiriciliyi yaxşılaşdıra, batareyanın empedansını azalda və batareyanın sürət göstəricisini yaxşılaşdıra bilər. Adi baza membranları ilə müqayisədə, keramika membranları və örtülmüş membranlar yalnız membranın yüksək temperaturda büzülmə müqavimətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilməz, həm də onun maye udma və islatma qabiliyyətini artırır. PP membranlarına SiO2 keramika örtüklərinin əlavə edilməsi membranın maye udma qabiliyyətini 17% artıra bilər. PP/PE kompozit membranına 1 tətbiq edin μ PVDF-HFP m membranın sorulma sürətini 70% -dən 82% -ə qədər artırır və hüceyrənin daxili müqavimətini 20% -dən çox azaldır.

İstehsal prosesi və istifadə şərtləri baxımından batareyaların daxili müqavimətinə təsir edən amillərə əsasən aşağıdakılar daxildir:

Proses faktorları təsir edir

Şlamlar

Bulamacın qarışdırılması zamanı şlamın dispersiyasının vahidliyi keçirici maddənin aktiv materialda bərabər şəkildə dağılıb-dağıla bilməyəcəyinə və onunla sıx təmasda olub-olmamasına təsir göstərir ki, bu da batareyanın daxili müqaviməti ilə bağlıdır. Yüksək sürətli dispersiyanı artırmaqla, məhlul dispersiyasının vahidliyi yaxşılaşdırıla bilər, nəticədə batareyanın daxili müqaviməti daha kiçik olur. Səthi aktiv maddələrin əlavə edilməsi ilə elektrodda keçirici maddələrin paylanmasının vahidliyini yaxşılaşdırmaq və orta boşalma gərginliyini artırmaq üçün elektrokimyəvi polarizasiyanı azaltmaq olar.

Kaplama

Səthin sıxlığı batareya dizaynında əsas parametrlərdən biridir. Batareyanın tutumu sabit olduqda, elektrod səthinin sıxlığının artırılması qaçılmaz olaraq kollektor və ayırıcının ümumi uzunluğunu azaldacaq və batareyanın Ohmik daxili müqaviməti də azalacaq. Buna görə müəyyən bir diapazonda batareyanın daxili müqaviməti səth sıxlığının artması ilə azalır. Kaplama və qurutma zamanı həlledici molekulların miqrasiyası və ayrılması sobanın temperaturu ilə sıx bağlıdır, bu, elektrod daxilində yapışqanların və keçirici maddələrin paylanmasına birbaşa təsir göstərir və bununla da elektrod daxilində keçirici torların formalaşmasına təsir göstərir. Buna görə örtük və qurutma temperaturu da batareyanın işini optimallaşdırmaq üçün vacib bir prosesdir.

Rolik basma

Müəyyən dərəcədə batareyanın daxili müqaviməti sıxılma sıxlığının artması ilə azalır, çünki sıxılma sıxlığı artdıqca, xammal hissəcikləri arasındakı məsafə azalır, hissəciklər arasında daha çox təmas, daha keçirici körpülər və kanallar və batareyanın empedansı daha çox olur. azalır. Sıxılma sıxlığına nəzarət əsasən yuvarlanma qalınlığı ilə əldə edilir. Müxtəlif yuvarlanan qalınlıqlar batareyaların daxili müqavimətinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Yuvarlanma qalınlığı böyük olduqda, təsiredici maddənin sıx yuvarlana bilməməsi səbəbindən aktiv maddə ilə kollektor arasındakı təmas müqaviməti artır və nəticədə batareyanın daxili müqaviməti artır. Batareya dövründən sonra batareyanın müsbət elektrodunun səthində daha böyük yuvarlanan qalınlığa malik çatlar görünür ki, bu da elektrodun səthi aktiv maddəsi ilə kollektor arasında təmas müqavimətini daha da artıracaqdır.

Qütb parçasının dövriyyə müddəti

Müsbət elektrodun müxtəlif raf vaxtları batareyanın daxili müqavimətinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Rəflərin saxlanma müddəti nisbətən qısadır və litium dəmir fosfat və litium dəmir fosfat səthindəki karbon örtük təbəqəsi arasındakı qarşılıqlı təsir səbəbindən batareyanın daxili müqaviməti yavaş-yavaş artır; Uzun müddət istifadə edilmədikdə (23 saatdan çox) batareyanın daxili müqaviməti litium dəmir fosfat və su arasındakı reaksiyanın birləşmiş təsiri və yapışdırıcının yapışdırıcı təsiri səbəbindən daha əhəmiyyətli dərəcədə artır. Buna görə də, faktiki istehsalda elektrod plitələrinin dövriyyə müddətinə ciddi nəzarət etmək lazımdır.

Enjeksiyon

Elektrolitin ion keçiriciliyi batareyanın daxili müqavimətini və sürət xüsusiyyətlərini müəyyən edir. Elektrolitin keçiriciliyi həlledicinin özlülük diapazonu ilə tərs mütənasibdir və həmçinin litium duzlarının konsentrasiyası və anionların ölçüsündən təsirlənir. Keçiricilik tədqiqatını optimallaşdırmaqla yanaşı, vurulan mayenin miqdarı və enjeksiyondan sonra islatma müddəti də batareyanın daxili müqavimətinə birbaşa təsir göstərir. Az miqdarda maye vurulması və ya kifayət qədər islatma müddəti batareyanın daxili müqavimətinin çox yüksək olmasına və bununla da batareyanın tutumuna təsir göstərə bilər.

İstifadə şərtlərinin təsiri

Temperatur

Daxili müqavimətin ölçüsünə temperaturun təsiri açıqdır. Temperatur nə qədər aşağı olarsa, batareyanın içərisində ion nəqli bir o qədər yavaş olar və batareyanın daxili müqaviməti bir o qədər çox olar. Batareyaların empedansı toplu empedansa, SEI film empedansına və yük ötürmə empedansına bölünə bilər. Kütləvi empedans və SEI film empedansı əsasən elektrolit ion keçiriciliyindən təsirlənir və aşağı temperaturda onların dəyişmə meyli elektrolit keçiriciliyinin dəyişmə tendensiyası ilə uyğundur. Kütləvi empedansın və aşağı temperaturda SEI film müqavimətinin artması ilə müqayisədə, yük reaksiya empedansı temperaturun azalması ilə daha əhəmiyyətli dərəcədə artır. -20 ℃-dən aşağı, şarj reaksiya empedansı batareyanın ümumi daxili müqavimətinin demək olar ki, 100% -ni təşkil edir.

SOC

Batareya fərqli SOC-da olduqda, onun daxili müqavimət ölçüsü də dəyişir, xüsusilə DC daxili müqavimət batareyanın faktiki performansını əks etdirən batareyanın güc göstəricilərinə birbaşa təsir göstərir. Litium batareyalarının DC daxili müqaviməti batareyanın boşalma dərinliyi DOD artması ilə artır və daxili müqavimət ölçüsü 10% -dən 80% boşalma diapazonunda əsasən dəyişməz olaraq qalır. Ümumiyyətlə, daxili müqavimət daha dərin boşalma dərinliklərində əhəmiyyətli dərəcədə artır.

Saxlama

Litium-ion batareyaların saxlama müddəti artdıqca, batareyalar köhnəlməyə davam edir və onların daxili müqaviməti artmağa davam edir. Daxili müqavimətin dəyişmə dərəcəsi müxtəlif litium batareyaları arasında dəyişir. 9-10 aylıq saxlama müddətindən sonra LFP batareyalarının daxili müqavimət artım sürəti NCA və NCM batareyalarından daha yüksək olur. Daxili müqavimətin artım sürəti saxlama müddəti, saxlama temperaturu və saxlama SOC ilə bağlıdır

Velosiped

İstər saxlama, istərsə də velosiped, temperaturun batareyanın daxili müqavimətinə təsiri ardıcıldır. Velosiped temperaturu nə qədər yüksək olarsa, daxili müqavimətin artım sürəti bir o qədər yüksəkdir. Müxtəlif dövr intervallarının batareyaların daxili müqavimətinə təsiri də fərqlidir. Batareyaların daxili müqaviməti doldurulma və boşalma dərinliyinin artması ilə sürətlə artır və daxili müqavimətin artması şarj və boşalma dərinliyinin güclənməsi ilə düz mütənasibdir. Dövr ərzində yükləmə və boşalma dərinliyinin təsirinə əlavə olaraq, şarj kəsmə gərginliyi də təsir göstərir: şarj gərginliyinin çox aşağı və ya çox yüksək həddi elektrodun interfeys empedansını artıracaq və çox aşağı yuxarı həddi gərginlik passivasiya plyonkasını yaxşı əmələ gətirə bilməz, çox yüksək həddi gərginlik isə elektrolitin oksidləşməsinə və LiFePO4 elektrodunun səthində parçalanmasına səbəb olaraq aşağı keçiriciliyə malik məhsullar əmələ gətirir.

Digər

Avtomobil litium batareyaları praktik tətbiqlərdə istər-istəməz pis yol şəraiti ilə qarşılaşır, lakin araşdırmalar göstərdi ki, vibrasiya mühiti tətbiq prosesi zamanı litium batareyalarının daxili müqavimətinə demək olar ki, heç bir təsir göstərmir.

Gözləmə

Daxili müqavimət litium-ion batareyalarının güc performansını ölçmək və onların ömrünü qiymətləndirmək üçün vacib parametrdir. Daxili müqavimət nə qədər böyükdürsə, batareyanın sürət göstəricisi bir o qədər pis olur və saxlama və velosiped sürmə zamanı daha sürətli artır. Daxili müqavimət batareyanın quruluşu, material xüsusiyyətləri və istehsal prosesi ilə əlaqədardır və ətraf mühitin temperaturu və şarj vəziyyətindəki dəyişikliklərlə dəyişir. Buna görə də, aşağı daxili müqavimətli batareyaların inkişafı batareyanın enerji performansını yaxşılaşdırmaq üçün açardır və batareyanın daxili müqavimətində dəyişikliklərin mənimsənilməsi batareyanın ömrünü proqnozlaşdırmaq üçün böyük praktik əhəmiyyətə malikdir.