1. Analisi dell'attenuazione della capacità della batteria agli ioni di litio

Elettrodi positivi e negativi, elettroliti e diaframmi sono componenti importanti delle batterie agli ioni di litio. Gli elettrodi positivi e negativi delle batterie agli ioni di litio subiscono rispettivamente reazioni di inserimento ed estrazione del litio e la quantità di litio inserita negli elettrodi positivo e negativo diventa il fattore principale che influenza la capacità delle batterie agli ioni di litio. Pertanto, è necessario mantenere l'equilibrio tra le capacità degli elettrodi positivi e negativi delle batterie agli ioni di litio per garantire prestazioni ottimali della batteria.

2. Sovraccarico

2.1 Reazione di sovraccarico dell'elettrodo negativo Esistono molti tipi di materiali attivi che possono essere utilizzati come elettrodi negativi delle batterie agli ioni di litio, con materiali per elettrodi negativi a base di carbonio, materiali per elettrodi negativi a base di silicio, a base di stagno, materiali per elettrodi negativi al titanato di litio, ecc. come materiali principali. Diversi tipi di materiali in carbonio hanno proprietà elettrochimiche diverse. Tra questi, la grafite presenta i vantaggi di elevata conduttività, eccellente struttura a strati ed elevata cristallinità, che è più adatta per l'inserimento e l'estrazione del litio. Allo stesso tempo, i materiali in grafite sono convenienti e hanno un ampio stock, quindi sono ampiamente utilizzati.

Quando una batteria agli ioni di litio viene caricata e scaricata per la prima volta, le molecole di solvente si decompongono sulla superficie di grafite e formano una pellicola di passivazione chiamata SEI. Questa reazione causerà la perdita di capacità della batteria ed è un processo irreversibile. Durante il processo di sovraccarico di una batteria agli ioni di litio, sulla superficie dell'elettrodo negativo si verificherà un deposito di litio metallico. Questa situazione tende a verificarsi quando il materiale attivo dell'elettrodo positivo è eccessivo rispetto al materiale attivo dell'elettrodo negativo. Allo stesso tempo, la deposizione di litio metallico può verificarsi anche in condizioni di velocità elevata.

In generale, le ragioni per la formazione di litio metallico che portano alla variazione del decadimento della capacità della batteria al litio includono principalmente i seguenti aspetti: in primo luogo, porta ad una diminuzione della quantità di litio circolante nella batteria; in secondo luogo, il litio metallico reagisce con elettroliti o solventi per formare altri sottoprodotti; in terzo luogo, il litio metallico si deposita principalmente tra l'elettrodo negativo e il diaframma, causando il blocco dei pori del diaframma, con conseguente aumento della resistenza interna della batteria. Il meccanismo che influenza il decadimento della capacità della batteria agli ioni di litio varia a seconda del materiale di grafite. La grafite naturale ha un'elevata area superficiale specifica, quindi la reazione di autoscarica causerà la perdita di capacità della batteria al litio e anche l'impedenza di reazione elettrochimica della grafite naturale poiché l'elettrodo negativo della batteria è superiore a quella della grafite artificiale. Inoltre, fattori come la dissociazione della struttura stratificata dell'elettrodo negativo durante il ciclo, la dispersione dell'agente conduttivo durante la produzione dell'espansione polare e l'aumento dell'impedenza della reazione elettrochimica durante lo stoccaggio sono tutti fattori importanti che portano alla perdita di capacità della batteria al litio.

2.2 Reazione di sovraccarico dell'elettrodo positivo Il sovraccarico dell'elettrodo positivo si verifica principalmente quando la percentuale di materiale dell'elettrodo positivo è troppo bassa, con conseguente squilibrio nella capacità tra gli elettrodi, causando una perdita irreversibile della capacità della batteria al litio e la coesistenza e l'accumulo continuo di ossigeno e combustibile i gas decomposti dal materiale dell'elettrodo positivo e dall'elettrolito possono comportare rischi per la sicurezza nell'uso delle batterie al litio.

2.3 L'elettrolita reagisce ad alta tensione Se la tensione di carica della batteria al litio è troppo alta, l'elettrolita subirà una reazione di ossidazione e genererà alcuni sottoprodotti, che bloccheranno i micropori dell'elettrodo e ostacoleranno la migrazione degli ioni di litio, provocando così il ciclo capacità di decadere. L'andamento del cambiamento della concentrazione dell'elettrolita e della stabilità dell'elettrolita è inversamente proporzionale. Maggiore è la concentrazione dell'elettrolito, minore è la stabilità dell'elettrolito, che a sua volta influisce sulla capacità della batteria agli ioni di litio. Durante il processo di ricarica, l'elettrolito verrà consumato in una certa misura. Pertanto, deve essere integrato durante l'assemblaggio, con conseguente riduzione dei materiali attivi della batteria e influenzando la capacità iniziale della batteria.

3. Decomposizione dell'elettrolito L'elettrolito comprende elettroliti, solventi e additivi e le sue proprietà influenzeranno la durata di servizio, la capacità specifica, la velocità di carica e scarica e le prestazioni di sicurezza della batteria. La decomposizione degli elettroliti e dei solventi nell'elettrolito causerà la perdita di capacità della batteria. Durante la prima carica e scarica, la formazione di una pellicola SEI sulla superficie dell'elettrodo negativo da parte di solventi e altre sostanze causerà una perdita di capacità irreversibile, ma ciò è inevitabile. Se nell'elettrolito sono presenti impurità come acqua o acido fluoridrico, l'elettrolito LiPF6 potrebbe decomporsi ad alte temperature e i prodotti generati reagiranno con il materiale dell'elettrodo positivo, compromettendo la capacità della batteria. Allo stesso tempo, anche alcuni prodotti reagiscono con il solvente e influenzano la stabilità della pellicola SEI sulla superficie dell'elettrodo negativo, causando un decadimento delle prestazioni della batteria agli ioni di litio. Inoltre, se i prodotti della decomposizione dell'elettrolita non sono compatibili con l'elettrolita, bloccheranno i pori dell'elettrodo positivo durante il processo di migrazione, con conseguente decadimento della capacità della batteria. In generale, il verificarsi di reazioni collaterali tra l'elettrolita e gli elettrodi positivo e negativo della batteria, nonché i sottoprodotti generati, sono i principali fattori che causano il decadimento della capacità della batteria.

4. Autoscarica Le batterie agli ioni di litio generalmente subiscono una perdita di capacità, un processo chiamato autoscarica, che è suddiviso in perdita di capacità reversibile e perdita di capacità irreversibile. La velocità di ossidazione del solvente ha un impatto diretto sulla velocità di autoscarica. I materiali attivi positivi e negativi possono reagire con il soluto durante il processo di carica, determinando uno squilibrio di capacità e un'attenuazione irreversibile della migrazione degli ioni di litio. Pertanto, si può vedere che la riduzione della superficie del materiale attivo può ridurre il tasso di perdita di capacità e la decomposizione del solvente influirà sulla durata di conservazione della batteria. Inoltre, anche le perdite della membrana possono portare a una perdita di capacità, ma questa possibilità è bassa. Se il fenomeno dell'autoscarica esiste per un lungo periodo, porterà alla deposizione di litio metallico e porterà ulteriormente all'attenuazione delle capacità degli elettrodi positivi e negativi.

5. Instabilità dell'elettrodo Durante il processo di carica, il materiale attivo dell'elettrodo positivo della batteria è instabile, il che lo farà reagire con l'elettrolito e influenzerà la capacità della batteria. Tra questi, i difetti strutturali del materiale dell'elettrodo positivo, l'eccessivo potenziale di carica e il contenuto di nerofumo sono i principali fattori che influenzano la capacità della batteria.