Фактори кои влијаат на внатрешниот отпор на литиум-јонските батерии

Фактори кои влијаат на внатрешниот отпор на литиум-јонските батерии

Со употребата на литиумски батерии, нивните перформанси продолжуваат да се намалуваат, главно манифестирано како распаѓање на капацитетот, зголемување на внатрешниот отпор, намалување на моќноста итн. Промените во внатрешниот отпор на батеријата се под влијание на различни услови на употреба, како што се температурата и длабочината на празнење. Затоа, факторите кои влијаат на внатрешниот отпор на батеријата беа елаборирани во однос на дизајнот на структурата на батеријата, перформансите на суровината, процесот на производство и условите за користење.

Отпорот е отпорот што го доживува струјата што тече низ внатрешноста на литиумската батерија за време на работата. Обично, внатрешниот отпор на литиумските батерии е поделен на омски внатрешен отпор и поларизиран внатрешен отпор. Омскиот внатрешен отпор е составен од материјал на електрода, електролит, отпор на дијафрагмата и отпорност на контакт на различни делови. Внатрешниот отпор на поларизација се однесува на отпорот предизвикан од поларизацијата за време на електрохемиските реакции, вклучувајќи го внатрешниот отпор на електрохемиска поларизација и внатрешниот отпор на поларизација на концентрацијата. Омскиот внатрешен отпор на батеријата се определува со вкупната спроводливост на батеријата, а поларизациониот внатрешен отпор на батеријата се определува со коефициентот на дифузија во цврста состојба на литиумските јони во активниот материјал на електродата.

Омски отпор

Омскиот внатрешен отпор главно е поделен на три дела: јонска импеданса, електронска импеданса и контактна импеданса. Се надеваме дека внатрешниот отпор на литиумските батерии ќе се намалува како што стануваат помали, па затоа треба да се преземат конкретни мерки за да се намали внатрешниот отпор на Омите врз основа на овие три аспекти.

Јонска импеданса

Јонската импеданса на литиумската батерија се однесува на отпорот што го доживува преносот на литиумските јони во батеријата. Брзината на миграција на литиумските јони и брзината на спроводливост на електроните играат подеднакво важна улога во литиумските батерии, а јонската импеданса главно е под влијание на позитивните и негативните електродни материјали, сепараторите и електролитот. За да се намали јонската импеданса, треба добро да се направат следниве точки:

Погрижете се позитивните и негативните електроди материјали и електролитот да имаат добра влажност

При дизајнирање на електродата, потребно е да се избере соодветна густина на набивање. Ако густината на набивање е превисока, електролитот не се впива лесно и ќе ја зголеми јонската импеданса. За негативната електрода, ако SEI филмот формиран на површината на активниот материјал при првото полнење и празнење е премногу дебел, тој исто така ќе ја зголеми јонската импеданса. Во овој случај, неопходно е да се прилагоди процесот на формирање на батеријата за да се реши проблемот.

Влијанието на електролитот

Електролитот треба да има соодветна концентрација, вискозност и спроводливост. Кога вискозноста на електролитот е превисок, тој не е погодна за инфилтрација помеѓу него и активните супстанции на позитивните и негативните електроди. Во исто време, електролитот бара и помала концентрација, што е исто така неповолно за неговиот проток и инфилтрација ако концентрацијата е превисока. Спроводливоста на електролитот е најважниот фактор што влијае на импедансата на јоните, што ја одредува миграцијата на јоните.

Ефектот на дијафрагмата врз јонската импеданса

Главните фактори кои влијаат на мембраната врз јонската импеданса вклучуваат: дистрибуција на електролит во мембраната, мембрана област, дебелина, големина на пора, порозност и коефициент на извртување. За керамичките дијафрагми, исто така е неопходно да се спречат керамичките честички да ги блокираат порите на дијафрагмата, што не е погодно за премин на јони. Додека се осигурува дека електролитот целосно се инфилтрира во мембраната, во неа не треба да остане остаток на електролит, со што се намалува ефикасноста на користењето на електролитот.

Електронска импеданса

Постојат многу фактори кои влијаат на електронската импеданса и може да се направат подобрувања од аспекти како што се материјалите и процесите.

Позитивни и негативни електродни плочи

Главните фактори кои влијаат на електронската импеданса на позитивните и негативните електродни плочи се: контактот помеѓу живиот материјал и колекторот, факторите на самиот жив материјал и параметрите на плочата на електродата. Живиот материјал треба да има целосен контакт со колекторската површина, што може да се земе предвид од адхезијата на колекторската бакарна фолија, подлогата од алуминиумска фолија и кашеста маса на позитивната и негативната електрода. Порозноста на самиот жив материјал, површинските нуспроизводи на честичките и нерамномерното мешање со спроводливите агенси може да предизвикаат промени во електронската импеданса. Параметрите на плочата на електродата, како што се малата густина на живата материја и големите празнини на честички, не се погодни за спроводливост на електрони.

Сепаратори

Главните фактори кои влијаат на дијафрагмата на електронската импеданса вклучуваат: дебелина на дијафрагмата, порозност и нуспроизводи за време на процесот на полнење и празнење. Првите две се лесно разбирливи. По расклопувањето на ќелијата на батеријата, често се открива дека има дебел слој од кафеав материјал на дијафрагмата, вклучувајќи ја графитната негативна електрода и нејзините нуспроизводи од реакцијата, што може да предизвика блокирање на дупката на дијафрагмата и да го намали животниот век на батеријата.

Подлога за собирање течност

Материјалот, дебелината, ширината и степенот на контакт помеѓу колекторот и електродата може да влијаат на електронската импеданса. Собирањето течност бара избор на подлога што не е оксидирана или пасивирана, во спротивно тоа ќе влијае на големината на импедансата. Лошото лемење помеѓу бакарна алуминиумска фолија и ушите на електродата, исто така, може да влијае на електронската импеданса.

Контактна импеданса

Отпорот на контактот се формира помеѓу контактот на бакарната алуминиумска фолија и живиот материјал, и неопходно е да се фокусира на адхезијата на позитивната и негативната електродна паста.

Поларизација внатрешен отпор

Феноменот на отстапување на електродниот потенцијал од потенцијалот на рамнотежната електрода кога струјата минува низ електродата се нарекува поларизација на електродата. Поларизацијата вклучува омска поларизација, електрохемиска поларизација и концентрациска поларизација. Отпорот на поларизација се однесува на внатрешниот отпор предизвикан од поларизација помеѓу позитивните и негативните електроди на батеријата за време на електрохемиски реакции. Може да ја одрази конзистентноста во батеријата, но не е погодна за производство поради влијанието на операциите и методите. Внатрешниот отпор на поларизација не е константен и постојано се менува со текот на времето за време на процесот на полнење и празнење. Тоа е затоа што составот на активните супстанции, концентрацијата и температурата на електролитот постојано се менуваат. Омскиот внатрешен отпор го следи омскиот закон, а внатрешниот отпор на поларизацијата се зголемува со зголемување на густината на струјата, но тоа не е линеарна врска. Често се зголемува линеарно со логаритмот на густината на струјата.

Влијание на структурниот дизајн

Во дизајнот на конструкциите на батеријата, покрај занитувањето и заварувањето на самите структурни компоненти на батеријата, бројот, големината, положбата и другите фактори на увото на батеријата директно влијаат на внатрешниот отпор на батеријата. До одреден степен, зголемувањето на бројот на уши на столб може ефикасно да го намали внатрешниот отпор на батеријата. Положбата на увото на столбот влијае и на внатрешниот отпор на батеријата. Батеријата за намотување со положбата на полното уво на чело на парчињата позитивни и негативни пол има најголем внатрешен отпор, а во споредба со батеријата за намотување, наредената батерија е еквивалентна на десетици мали батерии паралелно, а нејзиниот внатрешен отпор е помал .

Влијание на перформансите на суровини

Позитивни и негативни активни материјали

Материјалот за позитивна електрода во литиумските батерии е оној што го складира литиумот, што повеќе ја одредува работата на батеријата. Материјалот на позитивната електрода главно ја подобрува електронската спроводливост помеѓу честичките преку обложување и допинг. Допингот на Ni ја подобрува јачината на P-O врските, ја стабилизира структурата на LiFePO4/C, го оптимизира волуменот на ќелијата и ефикасно ја намалува импедансата на пренос на полнеж на материјалот на позитивната електрода. Значајното зголемување на поларизацијата на активирањето, особено кај поларизацијата со активирање на негативните електроди, е главната причина за силна поларизација. Намалувањето на големината на честичките на негативната електрода може ефикасно да ја намали поларизацијата на активирањето на негативната електрода. Кога големината на цврстите честички на негативната електрода е намалена за половина, поларизацијата на активирањето може да се намали за 45%. Затоа, во однос на дизајнот на батериите, истражувањето за подобрување на самите материјали на позитивни и негативни електроди е исто така од суштинско значење.

Проводен агент

Графитот и саѓи се широко користени во областа на литиумските батерии поради нивните одлични перформанси. Во споредба со спроводливите агенси од графитен тип, додавањето на спроводливи агенси од саѓи од типот на саѓи во позитивната електрода има подобра стапка на перформанси на батеријата, бидејќи спроводливите агенси од типот на графит имаат морфологија на честички како шушка, што предизвикува значително зголемување на коефициентот на извртување на порите при високи стапки. и е склон кон феноменот на лимитирање на капацитетот на празнење со дифузија на течна фаза на Li. Батеријата со додадени CNT има помал внатрешен отпор бидејќи во споредба со точката на контакт помеѓу графит/саѓи и активниот материјал, фиброзните јаглеродни наноцевки се во контакт со активниот материјал, што може да ја намали интерфејсната импеданса на батеријата.

Собирање течност

Намалувањето на отпорот на интерфејсот помеѓу колекторот и активниот материјал и подобрувањето на цврстината на поврзување помеѓу двата се важни средства за подобрување на перформансите на литиумските батерии. Обложување на проводен јаглероден слој на површината на алуминиумска фолија и спроведување на третман со корона на алуминиумската фолија може ефикасно да ја намали интерфејсната импеданса на батеријата. Во споредба со конвенционалната алуминиумска фолија, користењето алуминиумска фолија обложена со јаглерод може да го намали внатрешниот отпор на батеријата за околу 65% и да го намали зголемувањето на внатрешниот отпор при употреба. Внатрешниот отпор на наизменична струја на алуминиумската фолија обработена со корона може да се намали за околу 20%. Во најчесто користениот опсег од 20% до 90% SOC, вкупниот внатрешен отпор на DC е релативно мал и неговото зголемување постепено се намалува со зголемувањето на длабочината на празнење.

Сепаратори

Спроводливоста на јоните во батеријата зависи од дифузијата на јоните на Li низ порозната мембрана во електролитот. Способноста за апсорпција и мокрење на течноста на мембраната е клучот за формирање на добар канал за проток на јони. Кога мембраната има повисока стапка на апсорпција на течност и порозна структура, може да ја подобри спроводливоста, да ја намали импедансата на батеријата и да ја подобри брзината на перформансите на батеријата. Во споредба со обичните базни мембрани, керамичките мембрани и обложените мембрани не само што можат значително да ја подобрат отпорноста на смалување на висока температура на мембраната, туку и да ја подобрат нејзината апсорпција на течност и способноста за мокрење. Додавањето на керамички облоги SiO2 на PP мембраните може да го зголеми капацитетот на апсорпција на течност на мембраната за 17%. Нанесете 1 на PP/PE композитната мембрана μ PVDF-HFP од m ја зголемува стапката на вшмукување на мембраната од 70% на 82%, а внатрешниот отпор на ќелијата се намалува за повеќе од 20%.

Факторите кои влијаат на внатрешната отпорност на батериите во однос на процесот на производство и условите за користење главно вклучуваат:

Влијаат факторите на процесот

Кашеста маса

Еднообразноста на дисперзијата на кашеста маса при мешање на кашеста маса влијае на тоа дали спроводниот агенс може рамномерно да се дисперзира во активниот материјал и тесно да го контактира, што е поврзано со внатрешниот отпор на батеријата. Со зголемување на дисперзијата со голема брзина, може да се подобри униформноста на дисперзијата на кашеста маса, што резултира со помал внатрешен отпор на батеријата. Со додавање на сурфактанти, униформноста на дистрибуцијата на спроводливите агенси во електродата може да се подобри, а електрохемиската поларизација може да се намали за да се зголеми средниот напон на празнење.

Облога

Густината на површината е еден од клучните параметри во дизајнот на батериите. Кога капацитетот на батеријата е константен, зголемувањето на густината на површината на електродата неизбежно ќе ја намали вкупната должина на колекторот и сепараторот, а ќе се намали и омскиот внатрешен отпор на батеријата. Затоа, во одреден опсег, внатрешниот отпор на батеријата се намалува со зголемување на густината на површината. Миграцијата и одвојувањето на молекулите на растворувачот за време на обложување и сушење се тесно поврзани со температурата на рерната, што директно влијае на распределбата на лепилата и спроводливите средства во електродата, а со тоа влијае на формирањето на проводни решетки во електродата. Затоа, температурата на обложување и сушење е исто така важен процес за оптимизирање на перформансите на батеријата.

Притискање на ролери

До одреден степен, внатрешниот отпор на батеријата се намалува со зголемувањето на густината на набивање, како што се зголемува густината на набивање, се намалува растојанието помеѓу честичките од суровината, колку повеќе контакти помеѓу честичките, толку повеќе спроводливи мостови и канали и импедансата на батеријата се намалува. Контролата на густината на набивање главно се постигнува преку дебелината на тркалањето. Различните дебелини на тркалање имаат значително влијание врз внатрешниот отпор на батериите. Кога дебелината на тркалањето е голема, отпорот на контакт помеѓу активната супстанција и колекторот се зголемува поради неможноста на активната супстанција да се тркала цврсто, што резултира со зголемување на внатрешниот отпор на батеријата. И по циклусот на батеријата, на површината на позитивната електрода на батеријата се појавуваат пукнатини со поголема дебелина на тркалање, што дополнително ќе го зголеми контактниот отпор помеѓу површинската активната супстанција на електродата и колекторот.

Време на промет на парче пол

Различните времиња на полици на позитивната електрода имаат значително влијание врз внатрешниот отпор на батеријата. Времето на чување на полиците е релативно кратко, а внатрешниот отпор на батеријата полека се зголемува поради интеракцијата помеѓу јаглеродниот слој на облогата на површината на литиум железо фосфат и литиум железо фосфат; Кога останува неискористен подолго време (повеќе од 23 часа), внатрешниот отпор на батеријата значително се зголемува поради комбинираниот ефект на реакцијата помеѓу литиум железо фосфат и вода и врзувачкиот ефект на лепилото. Затоа, при вистинското производство, неопходно е строго да се контролира времето на обрт на електродните плочи.

Инјекција

Јонската спроводливост на електролитот го одредува внатрешниот отпор и карактеристиките на брзината на батеријата. Спроводливоста на електролитот е обратно пропорционална со опсегот на вискозност на растворувачот, а исто така е под влијание на концентрацијата на литиумските соли и големината на анјоните. Покрај оптимизирањето на истражувањето на спроводливоста, количината на инјектираната течност и времето на натопување по вбризгувањето директно влијаат и на внатрешниот отпор на батеријата. Мала количина на инјектирана течност или недоволно време на натопување може да предизвика внатрешниот отпор на батеријата да биде превисок, а со тоа да влијае на капацитетот на батеријата.

Влијание на условите за користење

Температура

Очигледно е влијанието на температурата врз големината на внатрешниот отпор. Колку е помала температурата, толку е побавен транспортот на јоните во батеријата и толку е поголем внатрешниот отпор на батеријата. Импедансата на батериите може да се подели на голема импеданса, импеданса на SEI филм и импеданса за пренос на полнеж. Големата импеданса и импедансата на SEI филм главно се под влијание на спроводливоста на јоните на електролитот, а нивниот тренд на варијација при ниски температури е конзистентен со трендот на варијација на спроводливоста на електролитот. Во споредба со зголемувањето на масовната импеданса и отпорноста на SEI филмот при ниски температури, импедансата на реакцијата на полнење значително се зголемува со намалувањето на температурата. Под -20 ℃, импедансата на реакцијата на полнење сочинува скоро 100% од вкупниот внатрешен отпор на батеријата.

СПЦ

Кога батеријата е на различен SOC, големината на нејзиниот внатрешен отпор исто така варира, особено внатрешниот отпор DC директно влијае на перформансите на енергијата на батеријата, што ги одразува реалните перформанси на батеријата. DC внатрешниот отпор на литиумските батерии се зголемува со зголемувањето на длабочината на празнење на батеријата DOD, а големината на внатрешниот отпор останува во основа непроменета во опсегот на празнење од 10% до 80%. Општо земено, внатрешниот отпор значително се зголемува при подлабоки длабочини на празнење.

Складирање

Како што се зголемува времето на складирање на литиум-јонските батерии, батериите продолжуваат да стареат и нивниот внатрешен отпор продолжува да се зголемува. Степенот на варијација на внатрешниот отпор варира кај различните типови на литиумски батерии. По 9 до 10 месеци складирање, стапката на зголемување на внатрешниот отпор на батериите LFP е повисока од онаа на батериите NCA и NCM. Стапката на зголемување на внатрешниот отпор е поврзана со времето на складирање, температурата на складирање и SOC за складирање

Циклус

Без разлика дали се работи за складирање или возење велосипед, влијанието на температурата врз внатрешниот отпор на батеријата е конзистентно. Колку е поголема температурата на возење велосипед, толку е поголема стапката на зголемување на внатрешниот отпор. Влијанието на различните интервали на циклусот врз внатрешниот отпор на батериите е исто така различно. Внатрешниот отпор на батериите брзо се зголемува со зголемувањето на длабочината на полнење и празнење, а зголемувањето на внатрешниот отпор е директно пропорционално со зајакнувањето на длабочината на полнење и празнење. Покрај влијанието на длабочината на полнење и празнење во текот на циклусот, влијание има и прекинувачкиот напон на полнење: прениската или превисоката горната граница на напонот за полнење ќе ја зголеми интерфејсната импеданса на електродата, а премногу ниската Горниот граничен напон не може добро да формира филм за пасивација, додека превисокиот горниот граничен напон ќе предизвика електролитот да оксидира и да се распадне на површината на електродата LiFePO4 за да формира производи со мала спроводливост.

Друго

Автомобилските литиумски батерии неизбежно доживуваат лоши услови на патот во практична примена, но истражувањата покажаа дека околината со вибрации речиси и да нема ефект врз внатрешниот отпор на литиумските батерии за време на процесот на нанесување.

Очекување

Внатрешниот отпор е важен параметар за мерење на моќноста на литиум-јонските батерии и проценка на нивниот животен век. Колку е поголем внатрешниот отпор, толку е полоша брзината на перформансите на батеријата и толку побрзо се зголемува за време на складирањето и возењето велосипед. Внатрешниот отпор е поврзан со структурата на батеријата, карактеристиките на материјалот и процесот на производство и варира со промените во температурата на околината и состојбата на полнење. Затоа, развојот на батерии со низок внатрешен отпор е клучот за подобрување на перформансите на батеријата, а совладувањето на промените во внатрешниот отпор на батеријата е од големо практично значење за предвидување на траењето на батеријата.