Examen des trois principaux phénomènes de défaillance des batteries au lithium liquide et comment une batterie à semi-conducteurs peut-elle

En examinant les réactions négatives qui se produisent dans les batteries au lithium pendant le cyclage, nous pouvons résumer les effets de ces réactions en trois scénarios majeurs de dégradation de la batterie et observer l'impact des électrolytes solides sur les phénomènes de dégradation.

1. Perte de capacité de la batterie au lithium liquide

Pendant le cycle, en raison de l'expansion ou de la contraction du volume des électrodes positives et négatives, le film SEI subira une fission et continuera de croître. Le processus de croissance du film SEI consommera du lithium actif, ce qui entraînera une diminution de la capacité globale de la batterie et une augmentation de la résistance interne ; de plus, lors de la charge, l'électrode positive est dans un état fortement oxydé et la transition de phase de réduction est susceptible de se produire. Les métaux de transition dans la charpente, tels que les ions cobalt, précipitent dans l'électrolyte et diffusent vers l'électrode négative, catalysant la croissance supplémentaire du film SEI, entraînant la consommation de lithium actif. Dans le même temps, en raison de la structure de l'électrode positive Lorsque l'électrode négative est endommagée, le potentiel de l'électrode négative diminue pendant la charge et Li+ diffuse de l'électrode positive et s'intercale dans l'électrode négative. Lorsque la température est trop basse ou que le courant de charge est trop élevé, la vitesse d'intercalation du lithium métallique est réduite et il est directement précipité hors de l'électrode négative. En surface, l'effet de polarisation est plus sévère. En plus de provoquer la perte de lithium actif et d'augmenter la résistance interne, il formera également des dendrites de lithium mortelles, qui provoqueront des courts-circuits internes à long terme.

Théoriquement, les ions eux-mêmes ne bougent pas lorsque la batterie entièrement à l'état solide fonctionne, de sorte que les réactions irréversibles seront réduites. Si un électrolyte à l'état solide qui est électrochimiquement stable avec le lithium est utilisé, des problèmes tels que le SEI et la dégradation de l'électrolyte peuvent également être ralentis, ce qui peut réduire efficacement la consommation d'ions lithium pendant la charge et la décharge. L'ampleur de la baisse de capacité peut réduire ou inhiber la génération de dendrites de lithium. Par exemple, l'oxyde de lithium-lanthane-zirconium (LLZO) à structure grenat dans les électrolytes oxydes a une excellente stabilité chimique, tandis que les électrolytes polymères solides le sont encore. Il est composé de sel de lithium et de matrice polymère, de sorte que sa stabilité chimique n'est pas très différente de celle du liquide. électrolytes polymères.

2. Expansion du volume de la batterie au lithium liquide

L'augmentation de volume est principalement due à l'état d'oxydation élevé de l'électrode positive pendant la charge. L'oxygène libre dans le réseau cristallin est facile à précipiter puis s'oxyde avec l'électrolyte pour générer du dioxyde de carbone et de l'oxygène, qui provoquent progressivement un gonflement au cours des cycles de charge et de décharge. La décomposition de l'électrolyte est accélérée lorsque la tension est supérieure à 4,35 V (système ternaire) ou dans un environnement à haute température, ce qui entraîne une expansion continue de la cellule de la batterie, ce qui affectera au moins la configuration des composants de l'appareil et provoquera endommager la structure de la cellule de la batterie et provoquer un incendie et une explosion.

L'électrolyte solide n'est pas facile à oxyder avec l'électrode positive en raison de la stabilité chimique susmentionnée, qui peut ralentir le taux de décomposition et de gazéification de l'électrolyte et réduire considérablement le degré d'expansion volumique. De plus, l'électrolyte solide peut supporter des tensions supérieures à 5V sans décomposition, de sorte que la technologie série interne n'est plus hors de portée. En fait, l'augmentation de la tension d'une seule cellule peut économiser une partie du BMS et du shunt, et améliorer considérablement la densité d'énergie et le coût du module. Il a déjà incité Nissan et d'autres entreprises à investir dans la recherche et le développement depuis plus de dix ans, mais il n'a pas été en mesure de résoudre le problème de la décomposition de l'électrolyte sous haute pression.

3. Emballement thermique de la batterie au lithium liquide

L'emballement thermique est le risque le plus nocif et le plus imprévisible des batteries au lithium. Lorsque le noyau de la batterie est endommagé par une force externe et provoque un court-circuit ou un court-circuit interne ou une surcharge, la température à l'intérieur du noyau de la batterie augmente en conséquence. Une fois qu'il atteint 130 ° C, le film SEI Il commence à se désintégrer et amène l'électrolyte organique à entrer directement en contact avec les électrodes positives et négatives hautement actives, de sorte qu'un grand nombre de décompositions et de réactions exothermiques se produisent, entraînant une augmentation rapide de la température. et la pression interne, et une grande quantité de gaz est générée pour provoquer une expansion rapide de la batterie. Après avoir atteint la température critique, l'électrode positive se désintègre, libérant plus d'énergie thermique et d'oxygène, et la superposition de nombreux facteurs provoque l'intensification de la réaction en chaîne d'échauffement, de décomposition et de dégagement de chaleur, et finalement s'enflamme et explose.

Si l'électrolyte polymère et le séparateur, qui ont initialement commencé à générer une grande quantité de gaz inflammable et de chaleur à environ 150 °C, sont remplacés par un électrolyte solide qui se vaporise lentement à haute température et qui est ininflammable, la réaction en chaîne de l'emballement thermique peut être bloqué. Éviter les accidents d'incendie et d'explosion, c'est comme tirer un salaire du fond du pot. Cependant, il existe un grand écart dans la stabilité thermique des différents systèmes d'électrolyte. Par exemple, le point d'allumage des électrolytes céramiques oxydes est supérieur à 1 000 degrés, ce qui peut bloquer complètement les réactions d'emballement thermique ; et des électrolytes polymères solides. Il commencera à se désintégrer à environ 280°C et a la pire stabilité thermique. Jusqu'à présent, il n'y a eu aucun enregistrement de test de batteries polymères solides conservant une stabilité au-dessus de 300 °C.