การวิเคราะห์สาเหตุของการเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมในระหว่างการลัดวงจร

I. บทนำ

แบตเตอรี่ลิเธียมซึ่งเป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานที่สำคัญได้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในสังคมสมัยใหม่เช่นในยานพาหนะไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่ลิเธียมอาจประสบกับการลัดวงจรในระหว่างการใช้งานซึ่งไม่เพียง แต่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ แต่ยังสามารถก่อให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรงเช่นไฟและการระเบิด ความต้านทานภายในเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการวัดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม การเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในนำไปสู่การลดลงของความจุแบตเตอรี่การลดลงของความจุและอายุการใช้งานที่สั้นลง ดังนั้นการศึกษาสาเหตุของการเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมในระหว่างการลัดวงจรจึงมีความสำคัญทางทฤษฎีและการปฏิบัติที่สำคัญ

ii. องค์ประกอบของความต้านทานภายในแบตเตอรี่ลิเธียม

ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่ประกอบด้วยความต้านทานของโอห์มมิกและความต้านทานโพลาไรเซชัน ความต้านทานของ Ohmic รวมถึงความต้านทานของขั้วไฟฟ้าเองความต้านทานของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ความต้านทานที่พบโดยไอออนที่ผ่าน micropores ของตัวแยกและความต้านทานการสัมผัสระหว่างขั้วไฟฟ้าบวก/ลบและตัวแยก ความต้านทานโพลาไรเซชันคือความต้านทานการนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเนื่องจากโพลาไรซ์อิเล็กโทรดในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่และการคายประจุรวมถึงโพลาไรเซชันทางเคมีไฟฟ้าและโพลาไรเซชันความเข้มข้น โพลาไรเซชันทางเคมีไฟฟ้าเกิดจากความเฉื่อยชาของปฏิกิริยาอิเล็กโทรดในขณะที่โพลาไรซ์ความเข้มข้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของไอออนใกล้กับพื้นผิวอิเล็กโทรด

iii. การวิเคราะห์สาเหตุของการเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมในระหว่างการลัดวงจร

(i) สาเหตุของรากวัสดุ

1.Degradation ของวัสดุที่ใช้งานในเชิงบวกและเชิงลบ

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 นาโนเมตร) การเจริญเติบโตของลิเธียม dendrites สามารถเจาะตัวคั่นทำให้เกิดการลัดวงจรของแบตเตอรี่ในขณะที่ฟิล์ม SEI หนาเกินไปสามารถขัดขวางการย้ายถิ่นของลิเธียมไอออนและเพิ่มความต้านทานภายในแบตเตอรี่

2. ปัญหาการแก่ชราและอินเทอร์เฟซ

ผลิตภัณฑ์การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ (เช่น LIF, Li₂co₃) สะสมบนพื้นผิวอิเล็กโทรดซึ่งเป็นชั้นอินเตอร์เฟสที่มีความต้านทานสูง ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงหรือมีค่าใช้จ่ายสูงความหนืดอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพการขนส่งลิเธียมไอออนลดลง ตัวอย่างเช่นเมื่อแบตเตอรี่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงความหนืดของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้นและอัตราการย้ายถิ่นของลิเธียมไอออนจะช้าลงนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในแบตเตอรี่

3. นักสะสมปัจจุบันและการย่อยสลายแท็บ

การเกิดออกซิเดชันหรือการกัดกร่อนของอลูมิเนียม/ทองแดงฟอยล์นำไปสู่การเพิ่มความต้านทานต่อการสัมผัส (ทั่วไปในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง) การเชื่อมเสมือนจริงของจุดเชื่อมแท็บหรือความเหนื่อยล้าของวัสดุ (เช่นภายใต้เงื่อนไขการสั่นสะเทือน) ทำให้เกิดการต่อต้านในท้องถิ่นเพื่อทวีคูณ ในระหว่างการใช้แบตเตอรี่ตัวสะสมและแท็บปัจจุบันอาจได้รับการออกซิเดชั่นหรือการกัดกร่อนเนื่องจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมซึ่งนำไปสู่การเพิ่มความต้านทานการสัมผัส ในเวลาเดียวกันการเชื่อมเสมือนของจุดเชื่อมแท็บหรือความเหนื่อยล้าของวัสดุยังสามารถเพิ่มความต้านทานในท้องถิ่นได้

(ii) ผลการซ้อนทับของข้อบกพร่องของกระบวนการ

1. การเคลือบแผ่นอิเล็กโทรด

ความผันผวนของความหนาแน่น areal (± 5% หรือมากกว่า) นำไปสู่การกระจายกระแสที่ไม่สม่ำเสมอและการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในการต้านทานโพลาไรเซชันในท้องถิ่น หากการเคลือบแผ่นอิเล็กโทรดไม่สม่ำเสมอมันจะส่งผลให้เกิดการกระจายกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอภายในแบตเตอรี่โดยบางพื้นที่มีความหนาแน่นกระแสสูงมากเกินไปซึ่งจะทำให้เกิดความต้านทานโพลาไรเซชันในท้องถิ่นเพิ่มขึ้น

2.ข้อผิดพลาดในกระบวนการซ้อน/คดเคี้ยว

การเยื้องศูนย์ของแผ่นอิเล็กโทรดนำไปสู่การสัมผัสกับขอบของขอบเพิ่มความเสี่ยงของวงจรสั้น ๆ และความต้านทานเพิ่มเติม ในระหว่างการผลิตแบตเตอรี่หากมีข้อผิดพลาดในกระบวนการซ้อนหรือคดเคี้ยวอาจทำให้เกิดแผ่นอิเล็กโทรดที่ไม่ถูกต้องซึ่งนำไปสู่การสัมผัสกับขอบด้านข้างเพิ่มความเสี่ยงของวงจรสั้น ๆ และความต้านทานเพิ่มเติม

3.การฉีดอิเล็กโทรไลต์ไม่เพียงพอและเปียก

อิเล็กโทรไลต์ไม่ได้เจาะรูขุมขนตัวคั่นอย่างเต็มที่ (ระดับการเปียก <90%) ปิดกั้นช่องไอออน หากอิเล็กโทรไลต์ไม่เจาะรูขุมขนตัวคั่นมันจะปิดกั้นช่องไอออนช้าลงอัตราการย้ายถิ่นของลิเธียมไอออนและเพิ่มความต้านทานภายในแบตเตอรี่

(iii) ผลกระทบของสภาพแวดล้อมการใช้งานและสภาพการดำเนินงาน

1.สภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำ

ค่าการนำอิออนของอิเล็กโทรไลต์ลดลงมากกว่า 50%และทั้งความต้านทานต่อโอห์มมิกและการต้านทานโพลาไรเซชันเพิ่มขึ้น ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความต้านทานของแบตเตอรี่โอห์มมิกและความต้านทานโพลาไรเซชัน

2.การชาร์จและการปลดปล่อยสูง

โพลาไรซ์ความเข้มข้นทวีความรุนแรงมากขึ้นแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้ายุบและความต้านทานภายในที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 20% - 40% เมื่อแบตเตอรี่ผ่านการชาร์จและการคายประจุสูงความเข้มข้นของไอออนใกล้กับพื้นผิวอิเล็กโทรดเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนำไปสู่โพลาไรซ์ความเข้มข้นที่เข้มข้นและเพิ่มความต้านทานภายในที่มีประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

3.อายุการขี่จักรยานระยะยาว

ผลกระทบสะสมเช่นการสูญเสียลิเธียมที่ใช้งานอยู่และการลดลงของรูพรุนอิเล็กโทรดนำไปสู่อัตราการเติบโตความต้านทานภายในประจำปีเกิน 5% ในระหว่างการใช้การปั่นจักรยานในระยะยาวของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้งานจะค่อยๆลดลงและความพรุนอิเล็กโทรดก็ลดลงเช่นกัน ผลกระทบสะสมเหล่านี้นำไปสู่อัตราการเติบโตของความต้านทานภายในประจำปีเกิน 5%

(iv) ความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่นและความเสียหายทางโครงสร้างที่เกิดจากการลัดวงจร

1. ความร้อนสูงเกินไป

กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างการลัดวงจรนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิท้องถิ่นภายในแบตเตอรี่ อุณหภูมิสูงช่วยเร่งการสลายตัวของวัสดุภายในของแบตเตอรี่เช่นการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างวัสดุอิเล็กโทรดเพิ่มความต้านทานภายในเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่นเมื่อแบตเตอรี่ประสบกับการลัดวงจรตำแหน่งวงจรลัดวงจรจะสร้างความร้อนจำนวนมากทำให้อุณหภูมิในท้องถิ่นเพิ่มขึ้นและการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดชั้นอินเตอร์เฟสที่มีความต้านทานสูงและเพิ่มความต้านทานภายในแบตเตอรี่

2. ความเสียหายโครงสร้าง

กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่และความร้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างการลัดวงจรอาจนำไปสู่ความเสียหายของโครงสร้างภายในแบตเตอรี่เช่นตัวคั่นละลายและการเปลี่ยนรูปของวัสดุอิเล็กโทรด ความเสียหายโครงสร้างเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อช่องทางไอออนและอิเล็กตรอนของแบตเตอรี่ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในความต้านทานภายใน ตัวอย่างเช่นอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นในระหว่างการลัดวงจรอาจละลายตัวคั่นทำให้เกิดการสัมผัสโดยตรงระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่ใหญ่ขึ้นและสร้างความเสียหายต่อโครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรดเพิ่มความต้านทานภายในแบตเตอรี่

iv. บทสรุป

สาเหตุของการเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมในระหว่างการลัดวงจรมีหลายแง่มุมรวมถึงสาเหตุของรากวัสดุ, ผลการซ้อนทับของข้อบกพร่องของกระบวนการ, ผลกระทบของสภาพแวดล้อมการใช้งานและสภาพการทำงานและความร้อนสูงเกินไปและความเสียหายของโครงสร้างที่เกิดจากการลัดวงจร ปัจจัยเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในในแบตเตอรี่ลิเธียมในระหว่างการลัดวงจร การทำความเข้าใจสาเหตุเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบการผลิตการใช้งานและการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ลิเธียม ในขั้นตอนการออกแบบแบตเตอรี่ควรเลือกวัสดุที่เหมาะสมและพารามิเตอร์กระบวนการที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อลดความต้านทานภายในแบตเตอรี่ ในระหว่างการใช้แบตเตอรี่ควรเก็บแบตเตอรี่ให้ห่างจากสภาพแวดล้อมการใช้งานที่รุนแรงเช่นอุณหภูมิสูงอุณหภูมิต่ำและความชื้นสูงและอัตราการชาร์จและการปลดปล่อยของแบตเตอรี่ควรได้รับการควบคุมอย่างสมเหตุสมผลเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ในเวลาเดียวกันสำหรับแบตเตอรี่ที่มีการลัดวงจรอยู่แล้วควรดำเนินการรักษาในเวลาที่เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาด้านความปลอดภัยที่รุนแรงมากขึ้น การวิจัยในอนาคตควรเจาะลึกกลไกการเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมในระหว่างการลัดวงจรและพัฒนาการจัดการแบตเตอรี่และเทคโนโลยีการป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมและความปลอดภัย