¿Cómo se mide la capacidad de una pila? ¿Por qué decaería?
¿Qué es la capacidad de una batería?
En concepto básico de batería de iones de litio de capacidad de la batería se refiere a la cantidad de electricidad que se puede obtener de una batería en determinadas condiciones de descarga, es decir, la corriente a lo largo del tiempo (unidad: mAh o Ah).
Calculadora de capacidad de la batería
Método de cálculo de la capacidad de la batería:
Capacidad = corriente de descarga (corriente constante) I x tiempo de descarga (hora)T
Inversa:tiempo de descarga T = capacidad C/corriente de descarga (corriente constante) I
Por ejemplo, si una batería se descarga a una corriente constante de 500MA durante dos horas, la capacidad de la batería es igual a 500MA*2H = 1000MAH=1AH
¿Qué significa capacidad de batería 5000mAh?
Entonces, según el método de cálculo anterior, ¿qué significa la capacidad común de una batería de 5000mAh? Una batería puede descargarse a una corriente constante de 5000MA durante 1 hora, por lo que tiene una capacidad de 5000mAh (5 Ah).
5000MA*1H=5000MAh=5AH
Si una batería se descarga con 5 amperios de corriente durante 2 horas, su capacidad será de 10000MAh(10AH).
5000MA*2H=10000MAh=10AH
La relación de capacidad de los electrodos de las baterías de iones de litio debe ser equilibrada
Las baterías de iones de litio tienen energías de incrustación diferentes cuando se produce la reacción de incrustación entre los dos electrodos. Para obtener el mejor rendimiento de la batería, la relación de capacidad de los dos electrodos anfitriones debe mantenerse en un valor de equilibrio.
En las baterías de iones de litio, el balance de capacidad de la batería se expresa como la relación de masa entre el electrodo positivo y el electrodo negativo
En general, una relación de masas menor conduce a una utilización incompleta del material del ánodo; una relación de masas mayor puede suponer un riesgo para la seguridad debido a la sobrecarga del electrodo negativo. En general, el rendimiento de la batería es mejor con la relación de masas óptima.
Para un sistema ideal de baterías de iones de litio, el balance de capacidad de la batería no cambia durante su ciclo y la capacidad inicial es fija en cada ciclo, pero la situación real es mucho más complicada. Cualquier reacción secundaria que pueda producir o consumir iones de litio o electrones puede provocar un cambio en el balance de capacidad de la batería.
Una vez que cambia el equilibrio de la capacidad de la batería, el cambio es irreversible, y puede acumularse a lo largo de muchos ciclos, y tener un grave impacto en el rendimiento de la batería. En las baterías de iones de litio se producen muchas reacciones secundarias, como la descomposición del electrolito, la disolución de las sustancias activas y la deposición del metal de litio, además de la oxidación-reducción.
¿Por qué decae la capacidad de las baterías de litio?
Batería de iones de litio es la pila secundaria de más rápido desarrollo después de las de níquel-cadmio y níquel-hidrógeno. Sus propiedades de alta energía hacen que su futuro sea prometedor. Sin embargo, las baterías de iones de litio no son perfectas, y su mayor problema es la estabilidad de sus ciclos de carga y descarga. Por ello, en esta parte del documento se resumen y analizan las posibles razones del deterioro de la capacidad de las baterías de litio, entre ellas la sobrecarga, la descomposición del electrolito y la autodescarga.
Causa 1 del deterioro de la capacidad de la batería: Sobrecarga
- Reacción de sobrecarga del ánodo de grafito:
Cuando la batería se sobrecarga, los iones de litio se reducen fácilmente y se depositan en la superficie del electrodo negativo:
El litio depositado recubría la superficie del ánodo y bloqueaba la incrustación del litio. Conducen a una menor eficiencia de descarga y pérdida de capacidad, las razones son las siguientes:
① menor cantidad de litio reciclable;
② El litio metálico depositado reacciona con disolventes o electrolitos de soporte para formar Li2CO3, LiF u otros productos;
③Suele formarse metal de litio entre el ánodo y el diafragma, lo que puede obstruir los poros del diafragma y aumentar la resistencia interna de la pila;
④ Debido a la naturaleza del litio es muy activo, fácil de reaccionar con el electrolito y consumir electrolito. Por lo tanto, la eficiencia de descarga se reduce y la capacidad se pierde.
La carga rápida conduce a una densidad de corriente excesiva y a una polarización severa del ánodo, la deposición de litio será más evidente. Esta situación tiende a producirse en caso de exceso de material reactivo positivo en relación con el material reactivo negativo. Sin embargo, a altas velocidades de carga, puede producirse la deposición de metal de litio incluso si la proporción de sustancias activas positivas y negativas es normal.
- Reacción de sobrecarga del electrodo positivo
Cuando la proporción entre sustancia activa positiva y sustancia activa negativa es demasiado baja, es fácil sobrecargar el electrodo positivo.
La pérdida de capacidad causada por la sobrecarga del electrodo positivo se debe principalmente a la generación de sustancias electroquímicas inertes (como Co3O4, Mn2O3, etc.), que destruyen el equilibrio de capacidad de la batería entre los electrodos, y la pérdida de capacidad es irreversible.
(1) LiyCoO2
LiyCoO2 - (1 -) y / 3 [Co3O4 + O2 (g)] + yLiCoO2 y < 0,4
Al mismo tiempo, el oxígeno generado por la descomposición del material del cátodo en la batería sellada de iones de litio se acumulará simultáneamente porque no hay reacción de recombinación (como la generación de H2O) y el gas combustible generado por la descomposición del electrolito, y las consecuencias serán inimaginables.
(2) lambda - MnO2
La reacción del litio manganeso se produce cuando el óxido de litio manganeso está completamente delitiado: λ -Mno2 →Mn2O3+O2(g)
3.el electrolito en la reacción de oxidación por sobrecarga
Cuando la presión es superior a 4,5 V, el electrolito se oxida en sustancias insolubles (como Li2Co3) y gases, que bloquean los microporos del electrodo y dificultan la migración de los iones de litio, lo que provoca una disminución de la capacidad de la batería durante el ciclo.
Entre los electrolitos comúnmente utilizados, se considera que EC/DMC tiene la mayor resistencia a la oxidación. El proceso de oxidación electroquímica de la solución se expresa generalmente como: solución → producto de oxidación (gas, solución y materia sólida)+ Ne -.
La oxidación de cualquier disolvente aumentará la concentración de electrolito, disminuirá su estabilidad y, en última instancia, afectará a la capacidad de la batería. Suponiendo que se consuma una pequeña cantidad de electrolito con cada carga, se necesitará más electrolito durante el montaje de la batería. Para un contenedor constante, esto significa llenar una cantidad menor de la sustancia activa, lo que se traduce en una disminución de la capacidad inicial de la batería. Además, si se producen productos sólidos, se formará una película de pasivación en la superficie del electrodo, lo que aumentará la polarización de la batería y reducirá su tensión de salida.
Causa 2 del deterioro de la capacidad de la batería: Descomposición del electrolito (reducción)
I se rompe en el electrodo
- Los electrolitos se descomponen en el electrodo positivo:
El electrolito se compone de disolvente y electrolito de soporte. El electrolito suele formar productos insolubles como Li2Co3 y LiF tras la descomposición del electrodo positivo, lo que reduce la capacidad de la batería al bloquear los poros del electrodo.
La reacción de reducción del electrolito tendrá efectos adversos sobre la capacidad y la vida útil de la batería, y el gas generado por la reducción aumentará la presión interna de la batería, lo que provocará problemas de seguridad.
La tensión de descomposición positiva suele ser superior a 4,5 V (en relación con el Li/ Li+), por lo que no se descomponen fácilmente en el electrodo positivo. Por el contrario, los electrolitos se descomponen más fácilmente en el electrodo negativo.
- Los electrolitos se descomponen en el electrodo negativo:
El electrolito sobre grafito y otros ánodos de carbono embebidos en litio no es de alta estabilidad, fácil de reaccionar para producir capacidad irreversible. Durante la carga y descarga iniciales, la descomposición del electrolito formará una película de pasivación en la superficie del electrodo. La película de pasivación puede separar el electrolito del electrodo negativo de carbono para evitar una mayor descomposición del electrolito.
De este modo se mantiene la estabilidad estructural del ánodo de carbono. En condiciones ideales, la reducción del electrolito se limita a la etapa de formación de la película de pasivación, y este proceso no vuelve a producirse cuando se estabiliza la circulación.
Formación de la película de pasivación
La reducción de la sal electrolítica participa en la formación de la película de pasivación, lo que es beneficioso para la estabilización de la película de pasivación, pero
(1) La sustancia insoluble producida por la reducción tiene un efecto negativo sobre los productos de reducción del disolvente;
(2) La concentración de electrolito disminuye durante la reducción de la sal electrolítica, lo que provoca la pérdida de capacidad de la batería (LiF, LIXPF5-X, PF3O y PF3 se generan por la reducción de LiPF6);
(3) La formación de la película de pasivación consume iones de litio, lo que provocará un desequilibrio de capacidad entre los polos y reducirá el ratio de capacidad de toda la batería.
Al comparar y analizar los espectros de impedancia de CA de los materiales de los electrodos antes y después del ciclo, el investigador descubrió que, con el aumento de los ciclos, la resistencia de la capa de pasivación superficial aumentaba y la capacitancia de la interfaz disminuía. Esto refleja que el grosor de la capa de pasivación aumenta con el número de ciclos.
La disolución del manganeso y la descomposición del electrolito conducen a la formación de la película de pasivación, y las condiciones de alta temperatura son más favorables para estas reacciones. Como resultado, la resistencia de contacto entre las partículas activas y la resistencia a la migración de Li+ aumentarán, lo que provocará un aumento de la polarización, una carga y descarga incompletas y una reducción de la capacidad de la batería.
II Mecanismo de reducción del electrolito
El electrolito suele contener oxígeno, agua, dióxido de carbono y otras impurezas, y en el proceso de carga y descarga de la batería se producen reacciones REDOX.
El mecanismo de reducción del electrolito incluye la reducción del disolvente, la reducción del electrolito y la reducción de impurezas:
- Reducción del disolvente
La reducción de PC y EC incluye procesos de reacción de un electrón y reacción de dos electrones, en los que se forma Li2CO3. El electrolito compuesto por carbonato de dietilo (DEC) y carbonato de dimetilo (DMC) sufrirá una reacción de intercambio en la batería para formar carbonato de metilo y etilo (EMC), que tiene cierto impacto en la pérdida de capacidad de la batería.
- Reducción de electrolitos
Normalmente se considera que la reacción de reducción del electrolito interviene en la formación de la película superficial del electrodo de carbono, por lo que su tipo y concentración afectarán al rendimiento del electrodo de carbono. En algunos casos, la reducción del electrolito contribuye a la estabilización de la superficie de carbono, dando lugar a la formación de la capa de pasivación deseada.
Generalmente se cree que el electrolito de soporte es más fácil de reducir que el disolvente, y los productos de reducción se incluyen en la película de deposición negativa y afectan a la disminución de la capacidad de la batería .
- Reducción de impurezas
(1) Un contenido excesivo de agua en el electrolito generará capas de deposición de LiOH(S) y Li2O, lo que no favorece la incrustación de iones de litio y causa una pérdida irreversible de capacidad:
H2O + 1/2 + e - OH - h2
OH - + Li + - > LiOH (s)
LiOH + Li++ e - - > Li2O + 1/2 h2 (s)
(2) El CO2 del disolvente puede reducirse para producir CO y LiCO3(s) en el electrodo negativo:
Co2 + 2 e - li + 2 + 2 - > Li2CO3 + CO
El CO aumentará la presión interna de la batería, mientras que el Li2CO3 (S) aumentará la resistencia interna de la batería y afectará a su rendimiento.
(3) La presencia de oxígeno en el disolvente también formará Li2O
O2 + 2 e - 1/2 + 2 li + - > Li2O
Dado que la diferencia de potencial entre el litio metálico y el carbono totalmente embebido es pequeña, la reducción del electrolito sobre el carbono es similar a la del litio.
Causa3 del deterioro de la capacidad de la batería: Autodescarga
La autodescarga se refiere a la pérdida natural de capacidad de la batería cuando ésta no está en uso. Hay dos casos de pérdida de capacidad de la batería causada por la autodescarga de la batería de iones de litio:
Una es la pérdida de capacidad reversible;
La otra es la pérdida de capacidad irreversible.
Pérdida de capacidad irreversible se refiere a la pérdida de capacidad de la batería para recuperar durante la carga, la pérdida de capacidad irreversible, por el contrario, es negativo en el estado de carga puede estar relacionado con el electrolito en las baterías de micro, de iones de litio incrustado e incrustado, incrustado es negativo y de iones de litio incorporado fuera sólo relacionados con el electrolito de iones de litio, por lo que no hay equilibrio es la capacidad negativa, esta sección la pérdida de capacidad de la batería no se puede recuperar durante la carga.
Del mismo modo, la sustancia activa negativa puede interactuar con el electrolito de la microbatería para producir una autodescarga que provoque una pérdida de capacidad irreversible, y el electrolito (por ejemplo, LiPF6) se reduce sobre el material conductor.
Factores que afectan a la autodescarga: tecnología de producción del material del cátodo, tecnología de producción de la batería, naturaleza del electrolito, temperatura, tiempo.
La tasa de autodescarga está controlada principalmente por la tasa de oxidación del disolvente, por lo que la estabilidad del disolvente afecta a la vida de almacenamiento de la pila.
Si el electrodo negativo está totalmente cargado y el positivo se descarga, se altera el equilibrio de capacidad de la batería, con la consiguiente pérdida permanente de capacidad.
Durante mucho tiempo o a menudo por autodescarga, el litio puede depositarse sobre el carbono, aumentando el desequilibrio de capacidad entre los polos.
Los investigadores compararon las tasas de autodescarga de tres electrodos positivos de óxido metálico principales en diferentes electrolitos y descubrieron que las tasas de autodescarga variaban con los distintos electrolitos.
Se señala que los productos de oxidación de la autodescarga obstruyen los microporos del material del electrodo, lo que dificulta la inserción y liberación del litio y aumenta la resistencia interna y reduce la eficacia de la descarga, lo que conduce a una pérdida irreversible de la capacidad de la batería.
