Durée de vie des piles au lithium-ion - facteurs influençant cette durée

Structure et principe des batteries au lithium-ion

Les batteries au lithium-ion sont principalement composées de matériaux pour la cathode et l'anode, d'un électrolyte, d'un séparateur, d'un collecteur de courant et d'une enveloppe de batterie. Les matériaux de la cathode et de l'anode sont constitués de deux composés d'intercalation d'ions lithium différents. Pour plus d'informations, nous avons également listé les les 10 premiers fabricants de matériaux d'anode.

Lors de la charge, les ions lithium sont désintercalés de la cathode et insérés dans l'anode à travers le séparateur, et l'inverse est vrai lors de la décharge. Au cours du premier processus de charge et de décharge de la batterie lithium-ion, un film de passivation peut se former sur l'interface de phase entre l'anode et l'électrolyte.

Il agit comme un séparateur entre l'électrode et l'électrolyte. C'est un isolant électronique mais un excellent conducteur d'ions lithium. Les ions lithium peuvent être librement insérés et extraits à travers la couche de passivation. Elle présente les caractéristiques d'un électrolyte solide, c'est pourquoi ce film de passivation est appelé "film d'interface d'électrolyte solide", ou film SEI en abrégé.

Influence de la conception et du processus de fabrication sur la durée de vie des batteries lithium-ion

Propriétés des matériaux

La sélection des matériaux est le facteur le plus important dans le processus de conception des batteries. Des matériaux différents ont des caractéristiques de performance différentes, et les performances des batteries développées diffèrent également. La durée de vie d'une batterie lithium-ion ne sera longue que si les performances des matériaux de la cathode et de l'anode sont bonnes.

En ce qui concerne les ingrédients, il convient de prêter attention à la quantité de matériaux cathodiques et anodiques ajoutés. D'une manière générale, dans le processus de conception et d'assemblage, il est généralement exigé que la capacité de l'anode soit supérieure à celle de la cathode.

S'il n'est pas excessif, le lithium sera précipité de l'anode pendant le processus de charge, formant des dendrites de lithium, ce qui affectera la sécurité. Si l'anode est trop en excès par rapport à la cathode, la cathode peut être délithiée de manière excessive, ce qui entraîne l'effondrement de la structure.

Les propriétés des collecteurs de courant de la cathode et de l'anode affectent également la capacité et la durée de vie de la batterie. Les matériaux couramment utilisés pour les collecteurs de courant de la cathode et de l'anode des batteries lithium-ion sont respectivement l'aluminium et le cuivre, qui sont tous deux des matériaux métalliques facilement corrodables.

Le film de passivation formé après la corrosion du collecteur de courant, la mauvaise adhérence, la corrosion locale (corrosion par piqûres) et la corrosion générale augmentent la résistance interne de la batterie, ce qui entraîne une perte de capacité et une diminution de l'efficacité de la décharge. L'adhérence et la résistance à la corrosion peuvent être améliorées par des méthodes de prétraitement telles que la gravure acide-alcaline et le revêtement conducteur.

Électrolyte

L'électrolyte est également un facteur très important dans l'influence de la capacité réversible de la batterie. Le processus d'élimination et d'intercalation des ions lithium des matériaux d'électrode est toujours un processus d'interaction avec l'électrolyte, et cette interaction a un impact important sur les conditions d'interface et les changements de structure interne des matériaux d'électrode.

L'électrolyte sera perdu lors de l'interaction avec les matériaux de la cathode et de l'anode. En outre, lorsque la batterie est formée pour former un film SEI et préchargée, une partie de l'électrolyte est également consommée. Par conséquent, le type d'électrolyte et la quantité de liquide injecté affectent également la durée de vie de la batterie.

Les électrolytes courants sont composés de solvants, de sels de lithium et de divers additifs. Le processus d'élimination et d'intercalation des ions lithium des matériaux de la cathode et de l'anode interagit toujours avec l'électrolyte, et des réactions d'oxydoréduction complexes se produisent à l'interface en raison de cette interaction, et même des produits gazeux ou solides sont générés, ce qui épuise l'électrolyte.

Le gaz augmente la pression interne de la batterie et la déforme, et le produit solide forme un film de passivation à la surface de l'électrode, ce qui augmente la polarisation de la batterie et réduit la tension de sortie de la batterie.

Ces facteurs auront un impact négatif sur la capacité et la sécurité de la batterie et, en fin de compte, sur sa durée de vie. L'ajout d'additifs peut améliorer efficacement la performance du cycle des batteries lithium-ion, comme l'ajout d'une petite quantité d'additif anisole au système de solvant EC/DEC.

Processus de fabrication

Le processus de fabrication des batteries lithium-ion comprend principalement : les ingrédients de la cathode et de l'anode, le revêtement, la production de feuilles, le bobinage, le gainage, l'injection de liquide, le scellement, la formation chimique, etc. Dans le processus de production des batteries, les exigences relatives à chaque étape du processus sont très strictes. Tout processus mal contrôlé peut affecter la durée de vie des batteries lithium-ion.

Au cours du processus de dosage de la cathode et de l'anode, il convient de prêter attention à la quantité de liant ajoutée, à la vitesse d'agitation, à la concentration de la boue, à la température et à l'humidité, et de veiller à ce que les matériaux puissent être dispersés de manière uniforme.

Dans le processus de revêtement, en partant du principe qu'il faut assurer une énergie spécifique élevée de la batterie, un contrôle raisonnable de la quantité de revêtement de la cathode ou de l'anode et une réduction appropriée de l'épaisseur de l'électrode contribueront à réduire le taux de détérioration de la batterie. Le morceau de poteau enduit doit être compacté à l'aide d'une presse à rouleaux.

Une densité de compactage positive appropriée peut augmenter la capacité de décharge de la batterie, réduire la résistance interne, réduire la perte de polarisation et prolonger la durée de vie de la batterie lithium-ion.

Lors de l'enroulement, le noyau de batterie enroulé doit être serré. Plus le séparateur et les électrodes sont enroulés serrés, plus la résistance interne est faible, mais si l'enroulement est trop serré, il sera difficile de mouiller la pièce polaire et le séparateur, ce qui se traduira par une capacité de décharge plus faible.

Si le rouleau est trop lâche, la pièce polaire se dilatera excessivement pendant le processus de charge et de décharge, ce qui augmentera la résistance interne, réduira la capacité et raccourcira la durée de vie de la batterie au lithium-ion.

Influence du vieillissement et de la dégradation des matériaux des batteries sur la durée de vie des batteries lithium-ion

Le processus de charge et de décharge d'une batterie lithium-ion est le processus au cours duquel les ions lithium vont et viennent entre les matériaux de la cathode et de l'anode à travers l'électrolyte. Pendant le cycle des batteries lithium-ion, outre les réactions d'oxydoréduction à la cathode et aux anodes, il y a également un grand nombre de réactions secondaires.

Si les réactions secondaires des batteries au lithium-ion peuvent être réduites à un faible niveau, de sorte que les ions lithium puissent toujours aller et venir en douceur entre les matériaux de la cathode et de l'anode à travers l'électrolyte, la durée de vie du cycle de la batterie au lithium-ion peut être augmentée.

Le mouvement des ions lithium de la cathode vers l'anode doit traverser le film SEI qui recouvre l'anode en carbone. La qualité du film SEI affecte directement la durée de vie de la batterie.

La stabilité du film SEI a un impact important sur la stabilité de la batterie. Le film SEI est instable et peut facilement précipiter du lithium métal, ce qui entraînera une dégradation rapide du matériau actif de l'anode. Une pile au lithium avec un film SEI stable peut être stockée à haute température pendant plus de 4 ans.

Les chercheurs ont étudié la batterie lithium-ion à film aluminium-plastique qui a subi 200 cycles de charge-décharge, et les résultats ont montré que la capacité de décharge de la batterie diminuait progressivement, et que la résistance interne et l'épaisseur augmentaient progressivement.

Après avoir démonté les piles avec différents cycles, les observations expérimentales ont montré qu'après 200 cycles, de nombreuses fissures sont apparues à la surface de la cathode, et la taille moyenne des particules a diminué. L'anode a montré que le film SEI devenait plus épais et que le lithium et les composés de lithium précipitaient à la fin du cycle.

Des professionnels ont effectué une analyse approfondie du mécanisme de vieillissement des matériaux internes de la batterie en fonction des cycles de charge et de décharge, et ont examiné les facteurs tels que la stabilité de la structure cristalline du matériau de l'électrode, les réactions secondaires de l'interface entre le matériau actif et l'électrolyte, et la baisse des performances du liant. Les performances énergétiques sont affectées, et les raisons et les effets du vieillissement de la cathode et de l'anode sont résumés.

Pour le matériau de l'anode, outre les facteurs qui augmentent l'impédance en raison du mauvais contact entre les composants de l'anode dû à la formation et à la croissance du film SEI, les principaux facteurs sont les suivants : le solvant est incorporé dans l'électrode C pour générer du gaz, ce qui entraîne la rupture des particules C, et le changement de volume dans le cycle.

Le contact entre les particules de matériau actif se détériore et le lithium métal précipité réagit avec l'électrolyte, ce qui accélère le vieillissement.

Influence de l'environnement d'utilisation de la batterie sur la durée de vie des batteries lithium-ion

L'environnement d'utilisation des piles au lithium ion est également très important pour la durée de vie des piles au lithium ion, en particulier la température ambiante. Une température ambiante trop basse ou trop élevée affecte la durée de vie des batteries au lithium-ion. Le temps de charge à tension constante à basse température augmente et les performances de charge se détériorent également de manière significative.

Les principales raisons de la réduction de la capacité de décharge des batteries lithium-ion à basse température sont les suivantes : mauvaise conductivité de l'électrolyte, mauvaise mouillabilité ou perméabilité du séparateur, migration lente des ions lithium à travers l'interface électrode/électrolyte, etc. En outre, la résistance du film SEI augmente à basse température, ce qui ralentit le passage des ions lithium à travers l'interface électrode/électrolyte.

L'augmentation de l'impédance du film SEI s'explique par le fait qu'il est plus facile pour les ions lithium de s'échapper de l'anode à basse température, mais qu'il est plus difficile de s'intercaler. Lors de la charge, le lithium métallique apparaît et réagit avec l'électrolyte, formant un nouveau film SEI qui recouvre le film SEI d'origine, augmentant l'impédance de la batterie et entraînant une diminution de la capacité de la batterie.

Les chercheurs ont mené 300 expériences de cycle de charge-décharge sur le même lot de piles au lithium à 60°C et à température normale. Dans un premier temps, la batterie présente une capacité de décharge plus élevée à 60°C. Cependant, au fur et à mesure que le cycle progresse, la capacité de la batterie diminue plus rapidement, la stabilité du cycle se dégrade et la batterie se gonfle même à la fin du cycle.

Le cycle de charge-décharge des batteries lithium-ion est instable à haute température. Les températures élevées entraînent une intensification de la polarisation électrochimique des électrodes de la batterie et la production de gaz, ce qui provoque un gonflement. Dans le même temps, la résistance au transfert de charge augmente et la performance cinétique du transfert d'ions diminue.

En outre, les appareils utilisant des piles au lithium-ion peuvent être soumis à des conditions telles que des vibrations, des chocs et des collisions pendant le transport ou le fonctionnement normal. Certaines piles au lithium se chargent et se déchargent tout en communiquant avec le système et en recevant des informations selon une certaine fréquence.

La fréquence à laquelle l'appareil vibre peut interférer avec la fréquence de la batterie, provoquant des erreurs dans les données de la puce ou déclenchant des actions du circuit de protection. En cas de fortes vibrations ou d'impact, les languettes, les connexions externes, les bornes, les joints de soudure, etc. de la batterie au lithium-ion peuvent se casser ou se détacher, et le matériau actif de la pièce polaire de la batterie peut également se détacher, ce qui affectera la durée de vie de la batterie au lithium-ion et causera même de graves dommages.

Influence des régimes de charge et de décharge sur la durée de vie des batteries lithium-ion

Le processus d'utilisation des piles au lithium-ion, l'un des plus grands défis de l'histoire de l'humanité, est en cours. meilleures piles rechargeablesLa durée de vie d'une batterie lithium-ion est le processus du cycle de charge-décharge. Le courant de charge-décharge, le choix de la tension de coupure de la charge-décharge et la méthode de charge-décharge utilisée ont tous un impact très important sur la durée de vie de la batterie lithium-ion.

Augmenter aveuglément le courant de travail de la batterie, augmenter la tension de coupure de la charge ou réduire la tension de coupure de la décharge dégradera les performances de la batterie.

Les batteries lithium-ion ayant des systèmes électrochimiques différents ont des tensions de coupure de charge-décharge différentes. Dans le processus de charge des batteries lithium-ion, on considère qu'il y a surcharge si la tension de coupure de la charge est dépassée.

Lorsque la batterie lithium-ion est surchargée, les ions lithium excédentaires extraits de la cathode se déposent ou s'incrustent dans l'anode, et le lithium actif déposé réagit facilement avec le solvant, libérant de la chaleur qui augmente la température de la batterie. La cathode est chauffée et décomposée pour libérer de l'oxygène, ce qui facilite la décomposition de l'électrolyte et génère beaucoup de chaleur.

Lorsque la tension de décharge de la batterie au lithium est inférieure à la tension de coupure de la décharge, il y a surdécharge. Au cours du processus de surdécharge, les ions lithium seront excessivement extraits de l'anode et il sera difficile de les réinsérer lors de la prochaine charge.

Résumé

Qu'il s'agisse de la conception, de la fabrication ou de l'utilisation, de nombreux facteurs influent sur la durée de vie des batteries au lithium-ion. Les applications des piles au lithium-ion sont de plus en plus étendues et la demande de piles au lithium impose des exigences plus élevées en termes de quantité et de qualité.

La durée de vie des batteries lithium-ion affecte directement la durée de vie et la qualité des batteries lithium-ion, il est donc nécessaire que les fabricants étudient les facteurs qui l'influencent.

Ce n'est qu'en saisissant tous les facteurs affectant la durée de vie des piles au lithium-ion dans le processus de R&D et de production que l'on peut fabricants de piles au lithium sur mesure prendre l'initiative dans la concurrence féroce du marché. Les consommateurs doivent être attentifs à la sécurité des piles au lithium-ion pendant leur utilisation et utiliser les piles correctement, conformément aux instructions du manuel.