Comment mesure-t-on la capacité d'une batterie ? Pourquoi se dégrade-t-elle ?
Qu'est-ce que la capacité de la batterie ?
Le concept de base de la batterie lithium-ion de capacité de la batterie désigne la quantité d'électricité qui peut être obtenue d'une batterie dans certaines conditions de décharge, à savoir le courant en fonction du temps (unité : mAh ou Ah).
Calculateur de capacité de batterie
Méthode de calcul de la capacité de la batterie :
Capacité = courant de décharge (courant constant) I x temps de décharge (heure)T
Inverse : temps de décharge T = capacité C/courant de décharge (courant constant) I
Par exemple, si une batterie est déchargée à un courant constant de 500MA pendant deux heures, la capacité de la batterie est égale à 500MA*2H = 1000MAH=1AH
Que signifie la capacité de la batterie 5000mAh ?
Ainsi, selon la méthode de calcul ci-dessus, que signifie la capacité courante d'une batterie de 5000mAh ? Une batterie peut se décharger à un courant constant de 5000MA pendant 1 heure, elle a donc une capacité de 5000mAh (5 Ah).
5000MA*1H=5000MAh=5AH
Si une batterie est déchargée avec un courant de 5 ampères pendant 2 heures, sa capacité est de 10000MAh (10AH).
5000MA*2H=10000MAh=10AH
Le rapport entre la capacité des électrodes et celle des batteries lithium-ion doit être équilibré
Les batteries lithium-ion ont des énergies d'encastrement différentes lorsque la réaction d'encastrement se produit entre les deux électrodes. Afin d'obtenir les meilleures performances de la batterie, le rapport de capacité des deux électrodes hôtes doit être maintenu à une valeur d'équilibre.
Dans les batteries lithium-ion, l'équilibre de la capacité de la batterie est exprimé par le rapport de masse entre l'électrode positive et l'électrode négative.
D'une manière générale, un rapport de masse plus faible entraîne une utilisation incomplète du matériau de l'anode ; un rapport de masse plus élevé peut entraîner un risque de sécurité en raison d'une surcharge de l'électrode négative. En général, les performances de la batterie sont meilleures lorsque le rapport de masse est optimal.
Pour un système de batterie Li-ion idéal, l'équilibre de la capacité de la batterie ne change pas au cours de son cycle et la capacité initiale est fixée à chaque cycle, mais la situation réelle est beaucoup plus compliquée. Toute réaction secondaire susceptible de produire ou de consommer des ions lithium ou des électrons peut entraîner une modification de l'équilibre de la capacité de la batterie.
Une fois que l'équilibre de la capacité de la batterie change, le changement est irréversible et peut être accumulé pendant de nombreux cycles, ce qui a un impact sérieux sur la performance de la batterie. Dans les batteries lithium-ion, il y a beaucoup de réactions secondaires, telles que la décomposition de l'électrolyte, la dissolution des substances actives et le dépôt de lithium métal, en plus de l'oxydo-réduction.
Pourquoi la capacité des piles au lithium diminue-t-elle ?
Batterie au lithium-ion est la batterie secondaire qui se développe le plus rapidement après les batteries nickel-cadmium et nickel-hydrogène. Ses propriétés énergétiques élevées lui assurent un avenir prometteur. Toutefois, les batteries lithium-ion ne sont pas parfaites et leur principal problème est la stabilité de leurs cycles de charge et de décharge. C'est pourquoi cette partie du document résume et analyse les raisons possibles de la diminution de la capacité des batteries au lithium, notamment la surcharge, la décomposition de l'électrolyte et l'autodécharge.
Cause 1 de la diminution de la capacité de la batterie : Surcharge
- Réaction de surcharge de l'anode en graphite :
Lorsque la batterie est surchargée, les ions lithium sont facilement réduits et se déposent sur la surface de l'électrode négative :
Le lithium déposé recouvre la surface de l'anode et bloque l'encastrement du lithium. L'efficacité de la décharge et la perte de capacité s'en trouvent réduites, pour les raisons suivantes :
① diminution de la quantité de lithium recyclable ;
② Le lithium métal déposé réagit avec les solvants ou les électrolytes de support pour former du Li2CO3, du LiF ou d'autres produits ;
③Le lithium métal se forme généralement entre l'anode et le diaphragme, ce qui peut bloquer les pores du diaphragme et augmenter la résistance interne de la batterie ;
④ En raison de la nature très active du lithium, il réagit facilement avec l'électrolyte et le consomme. Par conséquent, l'efficacité de la décharge est réduite et la capacité est perdue.
Une charge rapide entraîne une densité de courant excessive et une forte polarisation de l'anode, le dépôt de lithium sera plus évident. Cette situation tend à se produire dans le cas d'un excès de matière réactive positive par rapport à la matière réactive négative. Toutefois, à des taux de charge élevés, un dépôt de lithium métal peut se produire même si le rapport entre les substances actives positives et négatives est normal.
- Réaction de surcharge de l'électrode positive
Lorsque le rapport entre la substance active positive et la substance active négative est trop faible, il est facile de surcharger l'électrode positive.
La perte de capacité causée par la surcharge de l'électrode positive est principalement due à la production de substances électrochimiques inertes (telles que Co3O4, Mn2O3, etc.), qui détruisent l'équilibre de la capacité de la batterie entre les électrodes, et la perte de capacité est irréversible.
(1) LiyCoO2
LiyCoO2 - (1 -) y / 3 [Co3O4 + O2 (g)] + yLiCoO2 y < 0,4
En même temps, l'oxygène généré par la décomposition du matériau de la cathode dans la batterie lithium-ion scellée s'accumulera simultanément parce qu'il n'y a pas de réaction de recombinaison (telle que la génération de H2O) et le gaz combustible généré par la décomposition de l'électrolyte, et les conséquences seront inimaginables.
(2) lambda - MnO2
La réaction lithium-manganèse se produit lorsque l'oxyde de lithium-manganèse est complètement délithium : λ -Mno2 →Mn2O3+O2(g)
3.l'électrolyte dans la réaction d'oxydation de la surcharge
Lorsque la pression est supérieure à 4,5 V, l'électrolyte s'oxyde en substances insolubles (telles que Li2Co3) et en gaz, qui bloquent les micropores de l'électrode et entravent la migration des ions lithium, ce qui entraîne une diminution de la capacité de la batterie au cours du cycle.
Parmi les électrolytes couramment utilisés, l'EC/DMC est considéré comme ayant la plus grande résistance à l'oxydation. Le processus d'oxydation électrochimique de la solution est généralement exprimé comme suit : solution → produit d'oxydation (gaz, solution et matière solide)+ Ne -
L'oxydation de tout solvant augmentera la concentration de l'électrolyte, diminuera la stabilité de l'électrolyte et, en fin de compte, affectera la capacité de la batterie. En supposant qu'une petite quantité d'électrolyte est consommée à chaque charge, une plus grande quantité d'électrolyte sera nécessaire lors de l'assemblage de la batterie. Pour un contenant constant, cela signifie qu'il faut remplir une plus petite quantité de substance active, ce qui entraîne une diminution de la capacité initiale de la batterie. En outre, si des produits solides sont produits, un film de passivation se formera à la surface de l'électrode, ce qui augmentera la polarisation de la batterie et réduira la tension de sortie de la batterie.
Cause 2 de la diminution de la capacité de la batterie : Décomposition de l'électrolyte (réduction)
I se décompose au niveau de l'électrode
- Les électrolytes se décomposent sur l'électrode positive :
L'électrolyte se compose d'un solvant et d'un électrolyte de soutien. L'électrolyte forme généralement des produits insolubles tels que Li2Co3 et LiF après la décomposition de l'électrode positive, ce qui réduit la capacité de la batterie en bloquant les pores de l'électrode.
La réaction de réduction de l'électrolyte aura des effets négatifs sur la capacité et la durée de vie de la batterie, et le gaz généré par la réduction augmentera la pression interne de la batterie, ce qui entraînera des problèmes de sécurité.
La tension de décomposition positive est généralement supérieure à 4,5 V (par rapport à Li/ Li+), de sorte qu'ils ne se décomposent pas facilement à l'électrode positive. En revanche, les électrolytes se décomposent plus facilement à l'électrode négative.
- Les électrolytes se décomposent sur l'électrode négative :
L'électrolyte sur le graphite et d'autres anodes de carbone intégrées au lithium n'est pas très stable, il réagit facilement pour produire une capacité irréversible. Au cours de la charge et de la décharge initiales, la décomposition de l'électrolyte formera un film de passivation sur la surface de l'électrode. Le film de passivation peut séparer l'électrolyte de l'électrode négative en carbone pour empêcher toute décomposition ultérieure de l'électrolyte.
La stabilité structurelle de l'anode en carbone est ainsi maintenue. Dans des conditions idéales, la réduction de l'électrolyte est limitée à la phase de formation du film de passivation, et ce processus ne se reproduit pas lorsque la circulation est stabilisée.
Formation d'un film de passivation
La réduction du sel de l'électrolyte participe à la formation du film de passivation, ce qui est bénéfique pour la stabilisation du film de passivation, mais
(1) La substance insoluble produite par la réduction a un effet négatif sur les produits de réduction du solvant ;
(2) La concentration de l'électrolyte diminue pendant la réduction du sel d'électrolyte, ce qui entraîne une perte de capacité de la batterie (le LiF, le LIXPF5-X, le PF3O et le PF3 sont générés par la réduction du LiPF6) ;
(3) La formation du film de passivation consomme des ions lithium, ce qui entraîne un déséquilibre de capacité entre les pôles et réduit le rapport de capacité de l'ensemble de la batterie.
En comparant et en analysant les spectres d'impédance CA des matériaux d'électrode avant et après le cycle, le chercheur a constaté qu'avec l'augmentation de la durée des cycles, la résistance de la couche de passivation de surface augmentait et la capacité d'interface diminuait. Cela indique que l'épaisseur de la couche de passivation augmente avec le nombre de cycles.
La dissolution du manganèse et la décomposition de l'électrolyte conduisent à la formation d'un film de passivation, et les conditions de haute température sont plus favorables à ces réactions. Par conséquent, la résistance de contact entre les particules actives et la résistance à la migration du Li+ augmentent, ce qui entraîne une augmentation de la polarisation, une charge et une décharge incomplètes et une réduction de la capacité de la batterie.
II Mécanisme de réduction de l'électrolyte
L'électrolyte contient souvent de l'oxygène, de l'eau, du dioxyde de carbone et d'autres impuretés, et des réactions REDOX se produisent lors du processus de charge et de décharge de la batterie.
Le mécanisme de réduction de l'électrolyte comprend la réduction du solvant, la réduction de l'électrolyte et la réduction des impuretés :
- Réduction des solvants
La réduction du PC et de l'EC comprend des processus de réaction à un électron et de réaction à deux électrons, au cours desquels se forme le Li2CO3. L'électrolyte composé de carbonate de diéthyle (DEC) et de carbonate de diméthyle (DMC) subira une réaction d'échange dans la batterie pour former du carbonate de méthyle et d'éthyle (EMC), ce qui a un certain impact sur la perte de capacité de la batterie.
- Réduction des électrolytes
La réaction de réduction de l'électrolyte est généralement considérée comme impliquée dans la formation du film de surface de l'électrode de carbone, de sorte que son type et sa concentration affecteront les performances de l'électrode de carbone. Dans certains cas, la réduction de l'électrolyte contribue à la stabilisation de la surface du carbone, ce qui entraîne la formation de la couche de passivation souhaitée.
On pense généralement que l'électrolyte de soutien est plus facile à réduire que le solvant, et que les produits de réduction sont inclus dans le film de dépôt négatif et affectent la diminution de la capacité de la batterie.
- Réduction des impuretés
(1) Une teneur en eau excessive dans l'électrolyte génère des couches de dépôt LiOH(S) et Li2O, ce qui n'est pas propice à l'intégration des ions lithium et entraîne une perte de capacité irréversible :
H2O + 1/2 + e - OH - h2
OH - + Li + - > LiOH (s)
LiOH + Li++ e - - > Li2O + 1/2 h2 (s)
(2) Le CO2 dans le solvant peut être réduit pour produire du CO et du LiCO3(s) sur l'électrode négative :
Co2 + 2 e - li + 2 + 2 - > Li2CO3 + CO
Le CO augmente la pression interne de la batterie, tandis que le Li2CO3 (S) augmente la résistance interne de la batterie et affecte ses performances.
(3) La présence d'oxygène dans le solvant entraîne également la formation de Li2O
O2 + 2 e - 1/2 + 2 li + - > Li2O
La différence de potentiel entre le lithium métal et le carbone entièrement incorporé étant faible, la réduction de l'électrolyte sur le carbone est similaire à celle sur le lithium.
Cause3 de la diminution de la capacité de la batterie : Autodécharge
L'autodécharge désigne la perte naturelle de capacité de la batterie lorsque celle-ci n'est pas utilisée. Il existe deux cas de perte de capacité de la batterie causée par l'autodécharge de la batterie lithium-ion :
La première est la perte de capacité réversible ;
L'autre est la perte de capacité irréversible.
La perte de capacité irréversible se réfère à la perte de capacité de la batterie à récupérer lors de la charge, la perte de capacité irréversible, par contre, est négative dans l'état de charge peut être liée à l'électrolyte dans les micro piles, lithium ion intégré et intégré, intégré est négatif et lithium ion intégré hors seulement lié à l'électrolyte de lithium ion, donc il n'y a pas d'équilibre est la capacité négative, cette section perte de capacité de la batterie ne peut pas récupérer lors de la charge.
De même, la substance active négative peut interagir avec l'électrolyte de la microbatterie pour produire une autodécharge entraînant une perte de capacité irréversible, et l'électrolyte (par exemple LiPF6) est réduit sur le matériau conducteur.
Facteurs affectant l'autodécharge : technologie de production du matériau de la cathode, technologie de production de la batterie, nature de l'électrolyte, température, durée.
Le taux d'autodécharge est principalement contrôlé par le taux d'oxydation du solvant, de sorte que la stabilité du solvant affecte la durée de stockage de la batterie.
Si l'électrode négative est entièrement chargée et que l'électrode positive se décharge, l'équilibre de la capacité de la batterie est perturbé, ce qui entraîne une perte permanente de la capacité de la batterie.
Pendant une longue période ou en cas d'autodécharge fréquente, le lithium peut se déposer sur le carbone, ce qui accroît le déséquilibre de capacité entre les pôles.
Les chercheurs ont comparé les taux d'autodécharge de trois électrodes positives principales en oxyde métallique dans différents électrolytes et ont constaté que les taux d'autodécharge variaient en fonction des électrolytes.
Il est souligné que les produits d'oxydation de l'autodécharge obstruent les micropores sur le matériau de l'électrode, ce qui rend difficile l'insertion et la libération du lithium, augmente la résistance interne et réduit l'efficacité de la décharge, entraînant ainsi une perte irréversible de la capacité de la batterie.
