ניתוח הגורמים לעליית התנגדות פנימית בסוללות ליתיום במהלך מעגלים קצרים

I. מבוא

סוללות ליתיום, כמכשיר אחסון אנרגיה חשוב, יושמו באופן נרחב בחברה המודרנית, כמו למשל בכלי רכב חשמליים ומכשירים אלקטרוניים ניידים. עם זאת, סוללות ליתיום עשויות לחוות מעגלים קצרים במהלך השימוש, אשר לא רק משפיעים על ביצועי הסוללה אלא גם יכולים לעורר בעיות בטיחות חמורות, כמו שריפות ופיצוצים. התנגדות פנימית היא אחד ממדדי המפתח למדידת ביצועי סוללת ליתיום. עלייה בהתנגדות פנימית מביאה לירידה ביכולת פריקת הסוללה, ירידה ביכולת וחיי שירות מקוצרים. לפיכך, בחקר הגורמים לעלייה של התנגדות פנימית בסוללות הליתיום במהלך מעגלים קצרים יש משמעות תיאורטית ומעשית חשובה.

II. הרכב התנגדות פנימית של סוללת ליתיום

ההתנגדות הפנימית של סוללת ליתיום מורכבת בעיקר מהתנגדות אוהם ועמידות בפני קיטוב. התנגדות אוהם כוללת את ההתנגדות של האלקטרודות עצמן, את ההתנגדות של תמיסת האלקטרוליט, ההתנגדות שנתקלה ביונים העוברים במיקרופוריות של המפריד, והתנגדות המגע בין האלקטרודות החיוביות\/השליליות למפריד. עמידות בפני קיטוב היא ההתנגדות המוליכת שנוצרת עקב קיטוב אלקטרודות במהלך טעינת סוללות ופריקה, כולל קיטוב אלקטרוכימי וקיטוב ריכוז. קיטוב אלקטרוכימי נגרם כתוצאה מאטיות של תגובות אלקטרודה, ואילו קיטוב הריכוז נגרם כתוצאה משינויים בריכוז היונים בסמוך למשטח האלקטרודה.

III. ניתוח הגורמים לעליית התנגדות פנימית בסוללות ליתיום במהלך מעגלים קצרים

(I) סיבות שורש ברמת חומר

1. התפרקות של חומרים פעילים חיוביים ושליליים

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 ננומטר). צמיחתם של דנדריטים ליתיום יכולה לנקב את המפריד, ולגרום לקצר סוללה, ואילו סרט SEI עבה מדי יכול להפריע להגירה של יון ליתיום ולהגדיל את ההתנגדות הפנימית של הסוללה.

2. בעיות הזדקנות וממשק אלקטרוליטים

מוצרי פירוק אלקטרוליטים (כגון LIF, Li₂Co₃) מצטברים על פני האלקטרודה ויוצרים שכבת ממשק עכבה גבוהה. בתנאי טמפרטורה גבוהה או בתשלום יתר, צמיגות האלקטרוליט עולה ויעילות הובלת יון ליתיום יורדת. לדוגמה, כאשר סוללה נמצאת בסביבה בטמפרטורה גבוהה, צמיגות האלקטרוליט עולה וקצב ההגירה של יוני ליתיום מאט, מה שמוביל לעלייה בהתנגדות פנימית של הסוללה.

3. אספן שוטף והשפלת כרטיסיות

חמצון או קורוזיה של נייר אלומיניום\/נחושת מובילים לעלייה בעמידות למגע (שכיח בסביבות חומיות גבוהה). ריתוך וירטואלי של נקודות ריתוך לשוניות או עייפות חומרים (כגון בתנאי רטט) גורם להתנגדות מקומית להכפיל. במהלך השימוש בסוללה, האספן והכרטיסיות הנוכחיות עשויים לעבור חמצון או קורוזיה כתוצאה מגורמים סביבתיים, מה שמוביל לעלייה בהתנגדות המגע. במקביל, ריתוך וירטואלי של נקודות ריתוך לשוניות או עייפות חומרית יכול גם להגביר את ההתנגדות המקומית.

(Ii) השפעת סופרפוזיציה של ליקויי תהליכים

1. ציפוי של גיליונות אלקטרודות

תנודות בצפיפות האריאליות (± 5% ומעלה) מובילות להתפלגות זרם לא אחידה ולעלייה משמעותית בהתנגדות הקיטוב המקומי. אם ציפוי גיליונות האלקטרודות אינו אחיד, הוא יביא להפצה זרם לא אחידה בתוך הסוללה, כאשר אזורים מסוימים יש צפיפות זרם גבוהה מדי, ובכך לגרום לעלייה בהתנגדות הקיטוב המקומי.

2.שגיאות בתהליכי ערמה\/פיתול

התאמה שגויה של גיליונות אלקטרודה מביאה למגע של קצה בור, מה שמגביר את הסיכון למעגלי מיקרו-קצרים ועכבה נוספת. במהלך ייצור הסוללות, אם קיימות שגיאות בתהליך הערימה או המתפתל, זה עלול לגרום ליישור שגוי של יריעות אלקטרודה, מה שמוביל למגע בור קצה, ולהגדיל את הסיכון למעגלי מיקרו-קצרים ועכבה נוספת.

3.לא מספיק הזרקת אלקטרוליטים והרטבה

האלקטרוליט אינו חודר לחלוטין לנקבוביות המפריד (תואר הרטבה <90%), וחוסם את תעלות היון. אם האלקטרוליט אינו חודר במלואו לנקבוביות המפריד, הוא יחסום תעלות יון, יאט את קצב ההגירה של יוני ליתיום ויגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה.

(Iii) השפעת סביבת השימוש ותנאי ההפעלה

1.סביבה בטמפרטורה נמוכה

המוליכות היונית של האלקטרוליט פוחתת ביותר מ- 50%, ושני ההתנגדות האוהמית וגם התנגדות הקיטוב עולה. בסביבה בטמפרטורה נמוכה, המוליכות היונית של האלקטרוליט פוחתת באופן משמעותי, מה שמוביל לעלייה בהתנגדות אוהם הסוללה והתנגדות הקיטוב.

2.טעינה ושחרור בריבית גבוהה

קיטוב ריכוז מתעצם, פלטפורמת המתח קורסת והתנגדות פנימית יעילה עולה ב- 20% - 40%. כאשר סוללה עוברת טעינה ופריקה בקצב גבוה, ריכוז היונים הסמוך למשטח האלקטרודה משתנה במהירות, מה שמוביל לקיטוב ריכוז מוגבר ועלייה בעמידות הפנימית היעילה לסוללה.

3.הזדקנות לרכיבה על אופניים לטווח הארוך

השפעות מצטברות כמו אובדן ליתיום פעיל וירידה בנקבוביות האלקטרודה מובילות לקצב גידול עמידות פנימי שנתי העולה על 5%. במהלך השימוש ברכיבה על אופניים לטווח הארוך בסוללה, ליתיום פעיל מתרוקן בהדרגה, וגם נקבוביות האלקטרודה פוחתת. השפעות מצטברות אלה מובילות לקצב צמיחת התנגדות פנימי שנתי העולה על 5%.

(Iv) התחממות יתר מקומית ונזק מבני הנגרמים על ידי מעגלים קצרים

1. התחממות יתר מקומית

הזרם הגדול שנוצר במהלך קצר מוביל לעלייה חדה בטמפרטורה המקומית בתוך הסוללה. טמפרטורות גבוהות מאיצות את השפלת החומרים הפנימיים של הסוללה, כמו פירוק אלקטרוליטים ושינויים במבנה חומר האלקטרודה, מה שמגדיל עוד יותר את ההתנגדות הפנימית. לדוגמה, כאשר סוללה חווה קצרה, מיקום הקצר מייצר כמות גדולה של חום, וגורם לטמפרטורה המקומית לעלות ופירוק אלקטרוליטים, ויוצר שכבת ממשק עכבה גבוהה והגברת ההתנגדות הפנימית של הסוללה.

2. נזק מבנה

הזרם והחום העצום שנוצר במהלך קצר מעגל עלול להוביל לנזק מבני בתוך הסוללה, כמו התכה מפרידה ועיוות חומר אלקטרודה. נזקים מבניים אלה משפיעים ישירות על תעלות ההובלה של יון ואלקטרונים של הסוללה, מה שמוביל לעלייה משמעותית בהתנגדות הפנימית. לדוגמה, הטמפרטורה הגבוהה הנוצרת במהלך קצר מעגל עשויה להמיס את המפריד, ולגרום למגע ישיר בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, ליצירת זרם קצר יותר קצר, וגם לפגוע במבנה חומרי האלקטרודה, ולהגדיל את ההתנגדות הפנימית של הסוללה.

Iv. מַסְקָנָה

הגורמים לעליית התנגדות פנימית בסוללות הליתיום במהלך מעגלים קצרים הם רב-פנים, כולל גורמי שורש ברמת החומר, השפעת העל של מומים בתהליכים, ההשפעה של סביבת השימוש ותנאי הפעלה, ונזקים מקומיים ונזקים מבניים הנגרמים כתוצאה מעגלים קצרים. גורמים אלה מתקשרים זה עם זה, מה שמוביל באופן קולקטיבי לעלייה בהתנגדות הפנימית בסוללות ליתיום במהלך מעגלים קצרים. הבנת הגורמים הללו היא בעלת משמעות רבה לתכנון, ייצור, שימוש ותחזוקה של סוללות ליתיום. בשלב תכנון הסוללות, יש לבחור חומרים מתאימים ולפרמטרים לעבד את האופטימיזציה כדי להפחית את ההתנגדות הפנימית של הסוללה. במהלך השימוש בסוללה, יש להרחיק את הסוללה מסביבות שימוש קשות, כמו טמפרטורות גבוהות, טמפרטורות נמוכות ולחות גבוהה, ויש לשלוט באופן סביר באופן סביר כדי לשלוט על קצב הטעינה והפריקה של הסוללה כדי להאריך את חיי שירות הסוללה ולהבטיח את בטיחות הסוללות. יחד עם זאת, עבור סוללות שכבר חוו קצר חשמל, יש לבצע טיפול בזמן כדי להימנע מהפעלת בעיות בטיחות חמורות יותר. מחקר עתידי אמור להתעמק עוד יותר במנגנון של עליית התנגדות פנימית בסוללות הליתיום במהלך מעגלים קצרים ולפתח טכנולוגיות ניהול והגנה יעילות יותר לשיפור ביצועי סוללות הליתיום ובטיחות.