鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年12月24日
液態鋰電池出現退化的表現有哪些
檢視鋰電池在循環過程中發生的負反應,我們可以將這些反應的影響歸納為三大電池退化情形并觀察固態解質對退化現象的影響:
一、容量損失
在循環過程中,因正負極的體積膨脹或收縮,SEI膜將產生裂異并持續增生,SEI膜的增生過程會消耗活性鋰,導致電池整體容量下降及內阻提升。
此外,在充電時,正極處于高氧化狀態,容易發生還原相變,骨架中的過渡金屬如鈷離子析出至電解液,并擴散到負極,催化SEI膜進一步生長,導致活性鋰被消耗的情形發生,同時因正極結構被破壞,造成可逆容量損失。
負極方面,充電時負極的電位變低,Li+從正極擴散并嵌入至負極,當溫度過低或充電電流過大,造成金屬鋰的嵌入速度降低,直接析出于負極表面,極化效應更劇,除造成活性鋰的損失、內阻增加外,更會形成致命的「鋰枝晶」,長久下來將造成內短。
二、體積膨脹
體積增加主要導因于在充電中的正極屬高氧化態,晶格內的游離氧容易析出后與電解液發生氧化反應,產生二氧化碳及氧,在一次次的充放電循環中漸漸造成鼓脹,而在電壓高于4.35V(三元系)以上或高溫環境下加速電解液的分解,造成電芯不斷膨脹,輕則影響裝置內的組件配置,重則導致電芯結構受損而起火爆炸。
固體電解質則因前述的化學穩定性而不易與正極發生氧化作用,能減緩電解質分解、氣化的速率,大幅降低體積膨脹的程度,除此之外,固體電解質能夠承受超過5V以上的電壓而不分解,使得內部串聯技術不再是遙不可及。
三、熱失控
熱失控是鋰電池危害程度最高且難以預測的風險,當電芯受到外力破壞引起短路或內部發生短路、過充情況時,電芯內部的溫度便隨之上升,一旦升至130度,SEI膜便開始崩解,并造成有機電解液直接與高活性正負極接觸,因而大量發生分解放熱反應,導致溫度與內壓提速上升、大量氣體產生造成電池快速膨脹,到達臨界溫度后正極崩解,釋放出更多熱能及氧氣,諸多因素迭加后造成升溫、分解、放熱的連鎖反應加劇,終至起火爆炸。
若將原本在150度左右便開始產生大量易燃氣體與熱能的聚合物電解液與隔離膜更換成在高溫下氣化較慢且不易燃的『固體電解質』,便能阻斷熱失控的連鎖反應,避免起火爆炸事故的發生,如同從釜底抽薪,不過,不同電解質體系的熱穩定性有著不小差距,例如氧化物陶瓷電解質的燃點在千度以上,能完全阻斷熱失控反應;而固態聚合物電解質大約在280度就會開始崩解,熱穩定性最差,目前尚未見到固體聚合物電池在三百度以上仍維持穩定的測試紀錄。
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