Akusisese liitiumi{0}}transpordi põhikeskkonnana mängib elektrolüüt "ioonijuhi", "elektroodiliidese kaitsjana" ja "laengu ülekandesillana" üliolulist rolli. Selle kogus peab olema rangelt vastavuses aku elektroodi suuruse, poorsuse ja kapsli mahuga, et tagada elektroodi aktiivsete materjalide piisav märgumine ja liitiumioonide takistusteta transporditee. Ebapiisav elektrolüüt (mida tööstuses nimetatakse "elektrolüüdi all") ei ole lihtsalt ebapiisava keskkonna küsimus; see häirib aku sisemist elektrokeemilist tasakaalu, käivitades rea ahelreaktsioone, mis põhjustavad jõudluse halvenemist ja ohutushäireid. Enamik neist kahjustustest on pöördumatud, mõjutades tõsiselt aku kasutusiga ja ohutust. Järgmine analüüs, mis põhineb akude tegelikel tööpõhimõtetel, kirjeldab üksikasjalikult selle konkreetseid negatiivseid mõjusid ja nende aluseks olevaid mehhanisme.
Selge mõistmise hõlbustamiseks teeme esmalt selgeks põhieeldus: elektrolüüdi põhiülesanne on lahustada liitiumisoolasid (nagu LiPF6, LiFSI jne), pakkudes vabalt liikuvaid liitiumiioone, samal ajal niisutades positiivse ja negatiivse elektroodi aktiivseid materjale (nagu kolmekomponentsed materjalid, liitiumraud, fosfaat, eraldusplaat jne) ja konstrueerides grafiiti. elektroodide/elektrolüüdi liides (SEI-kile, CEI-kile), tagades liitiumioonide tõhusa ja stabiilse transpordi positiivse ja negatiivse elektroodi vahel.
I. Märkimisväärne võimsuse langus (madal võimsus)
Ebapiisava elektrolüüdi kõige otsesem ja intuitiivsem mõju seisneb selles, et aku tegelik tühjenemisvõime on oluliselt väiksem kui kavandatud mahutavus ning see mahu vähenemine on pöördumatu, süvenedes pidevalt tsüklite arvu suurenedes. Põhimehhanism seisneb selles, et elektrolüüd ei saa positiivse ja negatiivse elektroodi aktiivseid materjale täielikult märjaks teha; ainult väike kogus pindaktiivset materjali saab osaleda liitiumioonide sisestamise/ekstraheerimise reaktsioonis, samas kui suur hulk sisemist aktiivset materjali jääb "tühiseks" ega saa avaldada elektrokeemilist aktiivsust.
Struktuurilisest vaatenurgast on nii positiivne kui ka negatiivne elektrood poorsed (poorsusega tavaliselt 30–50%). Elektrolüüt peab need poorid täielikult täitma, et liitiumioonid saaksid kokku puutuda kõigi aktiivsete osakestega. Kui elektrolüüt on ebapiisav, ei saa poorides tekkida pidev elektrolüüdi faas ja liitiumioonid saavad liikuda ainult piiratud alal elektroodi pinnal. See vähendab oluliselt elektrokeemilises reaktsioonis osalevate liitiumioonide arvu, takistades tühjenemise ajal kogu kavandatud võimsuse vabanemist.
Veelgi enam, väheses-elektrolüüdi olekus ei saa mõned niisutamata aktiivsed materjalid esimese laadimise ajal moodustada stabiilset liidese kilet. Isegi järgneva elektrolüütide täiendamise korral on ebatõenäoline, et need aktiivsed materjalid taastaksid oma aktiivsust, põhjustades pöördumatut võimsuse vähenemist ja takistades laadimistsüklite kaudu kavandatud väärtuse taastumist.
ACEY-BCT560-64PLiitiumaku mahutesteron ideaalne lahendus liitium-ioonakude toimivuse testimiseks ja hindamiseks. Need tipptasemel-seadmed-- sisaldavad täiustatud tehnoloogiat, mis võimaldab täpselt mõõta ja analüüsida erinevaid parameetreid, sealhulgas pinget, voolu, temperatuuri ja palju muud.
II. Aku sisemise takistuse järsk tõus
Liitiumaku sisetakistus koosneb peamiselt kolmest osast: oomiline takistus, laengu ülekandetakistus ja difusioonitakistus. Ebapiisav elektrolüüt viib kahe viimase olulise suurenemiseni, põhjustades lõpuks kogu aku sisetakistuse järsu tõusu, mis omakorda mõjutab laadimise/tühjenemise efektiivsust ja väljundjõudlust.
Ühelt poolt suurenenud laengu ülekandetakistus: laengu ülekandetakistus esineb peamiselt elektroodi/elektrolüüdi liideses, tuginedes stabiilsele liidese kilele ja piisavale elektrolüüdile laengu ülekandmiseks. Kui elektrolüüt on ebapiisav, ei ole elektroodi pind piisavalt märjaks ja liidese kilesid (SEI-kile, CEI-kile) ei saa ühtlaselt katta. Vastupidavus liitiumioonide sisestamisele/väljatõmbamisele elektroodi pinnal suureneb, aeglustades laengu ülekannet ja põhjustades laenguülekande takistuse eksponentsiaalset suurenemist. Teisest küljest suurenenud difusioonitakistus: liitiumioonide difusioonikiirus elektrolüüdis on otseselt seotud elektrolüüdi järjepidevuse ja kontsentratsiooniga. Ebapiisav elektrolüüt põhjustab elektrolüütide kontsentratsiooni ebaühtlust, kusjuures mõned alad muutuvad isegi "elektrolüüdivabaks-" tühjaks alaks. Liitiumioonide difusioonitee on blokeeritud, difusioonikaugus pikeneb ja difusioonitakistus suureneb oluliselt.
III. Oluliselt halvenev tsükli jõudlus
Tsükli jõudlus on liitiumaku eluea põhinäitaja, mis viitab aku võimele säilitada stabiilne võimsus korduvate laadimis{0}}tühjenemistsüklite ajal. Ebapiisav elektrolüüt põhjustab tsükli jõudluse järsu halvenemise ja on altid ebanormaalsetele nähtustele, nagu võimsuse järsk ja märkimisväärne langus pärast ühte tsüklit. See on sisuliselt nõiaring, mille põhjustab suurenenud sisemine takistus.
Nagu varem mainitud, põhjustab ebapiisav elektrolüüt sisemise takistuse suurenemist. Suurenenud sisetakistuse peamiseks tagajärjeks on intensiivistunud lokaalne kuumenemine aku laadimise ja tühjenemise ajal (vastavalt Joule'i seadusele Q=I²Rt, konstantse voolu korral põhjustab suurem sisetakistus rohkem soojust). Lokaalne ülekuumenemine kiirendab elektrolüütide lagunemist-kõrgetel temperatuuridel, elektrolüüdis toimuvad redoksreaktsioonid, tekitades gaase nagu CO₂ ja HF, aga ka inertseid aineid, mis tarbivad veelgi järelejäänud elektrolüüti ja põhjustab veelgi ebapiisava elektrolüüdi. Samal ajal kahjustavad kõrged temperatuurid ka stabiilset kilet elektroodi/elektrolüüdi liideses (SEI kile puruneb ja taastub). Rebenenud SEI-kile kulutab taas enda parandamiseks liitiumiioone ja elektrolüüte, suurendades veelgi laenguülekande takistust.
See nõiaring "madal elektrolüütide tase → suurenenud sisetakistus → lokaalne kuumenemine → elektrolüüdi lagunemine → halvenenud madal elektrolüütide tase" põhjustab aku võimsuse pidevat vähenemist tsükli ajal ja languse kiirus kiireneb. Kui tsüklite arv jõuab teatud tasemeni, siis liidese kile ebaõnnestub täielikult või elektrolüüt on ammendunud, tekib märkimisväärne võimsuse langus. Lisaks põhjustab madal elektrolüütide tase aku tsükli ajal ka halva mahutavuse. Mitme-elemendiseeria akupatarei puhul langevad esmalt madala elektrolüüditasemega elemendid, mis vähendab kogu aku jõudlust ja eluiga.
IV. Tugev soojuse teke laadimise ja tühjenemise ajal
Ebapiisava elektrolüüdi tõttu tekkiv soojuse teke on kriitiline seos jõudluse halvenemise ja ohutusrikke vahel. Soojuse tootmine pärineb peamiselt kahest allikast, millel on kumulatiivne mõju, mis viib aku ebatavaliselt kõrge temperatuurini ja kujutab endast potentsiaalset varajase termilise põgenemise ohtu.
- Katalüütiline soojuse teke sisemise takistuse tõttu
Nagu varem mainitud, põhjustab ebapiisav elektrolüüt sisemise takistuse järsu suurenemise, suurendades märkimisväärselt laadimisel ja tühjenemisel tekkivat džauli soojust. Lisaks väheneb ebapiisava elektrolüüdi tõttu ka tema enda soojuseraldusvõime (elektrolüüdil on ka teatud soojuse hajumise funktsioon, mis juhib elektroodide tekitatud soojust aku korpusesse).
- Ebanormaalne reaktsioonisoojuse teke
Ebapiisav elektrolüüt põhjustab elektroodi liidese kile ebastabiilsust, muutes selle kalduvaks kõrvalreaktsioonidele. See väljendub aku korpuse temperatuuri olulise tõusuna laadimise ja tühjenemise ajal (tavaline laadimis- ja tühjendustemperatuur on tavaliselt 20-45 kraadi, kuid ebapiisav elektrolüütide sisaldus võib tõusta üle 50 kraadi), mis on eriti märgatav laadimise ajal, muutudes mõnikord isegi puudutuseks kuumaks. Kui aku laaditakse ja tühjenetakse suure kiirusega, intensiivistub soojuse teke veelgi, ületades potentsiaalselt elektrolüütide lagunemistemperatuuri (tavaliselt üle 60 kraadi), kiirendades elektrolüütide lagunemist ja elektroodide vananemist, tekitades potentsiaalse ohutusohu järgnevate rikete korral. Lisaks võib pikaajaline soojuse teke põhjustada aku korpuse deformatsiooni ja hermeetiku vananemist, mis võib põhjustada elektrolüüdi leket ja halvendada veelgi aku seisukorda.
ACEY-BCT506-512Haku laetuse tühjenemise katseseadmedkasutab käsitsitöö asemel kaasaegseid elektroonilisi jälgimis- ja juhtimisseadmeid, et jälgida reaalajas pinget, voolu, võimsust, energiat, moodustumise olekut ja muid hajutatud aku moodustumise parameetreid reaalajas, diagnoosida ja käsitleda rikkeid, salvestada ja analüüsida asjakohaseid andmeid, et realiseerida formeerimisprotsessis järelevalveta ja partiitöötlust, arvutijuhtimistarkvara seadmete tsentraliseeritud jälgimiseks ja hoolduseks.
V. Liitiumplaatimine negatiivse elektroodi juures ehk süüde
See on ebapiisava elektrolüüdi kõige tõsisem negatiivne mõju, mis mõjutab otseselt aku ohutust ja on üks peamisi rikkerežiime aku -vaegelektrolüüdi puhul. Liitiumplaadistamise peamine põhjus on: ebapiisav elektrolüüt põhjustab negatiivse elektroodi halva lokaalse märgumise, mille tulemuseks on SEI-kile ebaühtlane moodustumine. Liitiumioonid ei saa korralikult kinnituda grafiidikihtide vahele ja võivad metallilist liitiumi ladestada ainult negatiivse elektroodi pinnale (st "liitiumkatteks"), põhjustades otsekontakti aku sees olevate positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel, vallandades sisemise lühise.
Sisemine lühis tekitab koheselt suurel hulgal soojust, mille tulemusel aku temperatuur tõuseb järsult (hetkeliselt üle 100 kraadi), mis viib termilise vooluni. Kõrge temperatuur põhjustab elektrolüüdi ägedat lagunemist, tekitades suures koguses tule- ja plahvatusohtlikke gaase (nt CO ja CH4). Aku siserõhk tõuseb järsult, põhjustades lõpuks aku korpuse rebenemise ja lekke. Kui gaas puutub kokku õhuga või kui sisetemperatuur jõuab elektrolüüdi või elektroodide materjalide süttimispunktini, võib see süttida või isegi plahvatada. Veelgi enam, isegi ilma sisemise lühiseta reageerib ladestunud metalliline liitium elektrolüüdiga, tarbides nii elektrolüüti kui ka liitiumioone, kiirendades veelgi aku jõudluse halvenemist ja ohustades ohutust. Tõsiselt ebapiisava elektrolüüdisisaldusega aku lahtivõtmisel võib negatiivse elektroodi pinnale isegi otse näha metallilist liitiumisadet ja see võib süttida.
Kokkuvõte
Ebapiisav elektrolüüt liitiumakudes ei ole "väike defekt", vaid pigem põhjustab aku pöördumatuid kahjustusi seestpoolt väljapoole, mõjutades jõudlust, eluiga ja ohutust. Selle löök näitab "ahelreaktsiooni" omadust: ebapiisav elektrolüüt → ebapiisav niisutamine → takistatud liitiumioonide transport → suurenenud sisetakistus → suurenenud soojuse teke → elektrolüüdi lagunemine → halveneb ebapiisav elektrolüüdi → liitiumi sadestumine → sisemine lühis → tulekahju ja plahvatus. Tegeliku tootmise ja kasutamise korral tuleb kasutatava elektrolüüdi kogust rangelt kontrollida, tavaliselt arvutatakse see täpselt selliste parameetrite alusel nagu elektroodide poorsus ja aku maht, et vältida ebapiisavaid elektrolüüdiprobleeme.
Kui aku tööulatus on oluliselt vähenenud (võimsuse vähenemine üle 20%), ebatavaline kuumenemine laadimise ja tühjenemise ajal, liiga kõrge laadimispinge, liiga madal tühjenemispinge või võimsuse järsk langus rattasõidu ajal, võib see viidata ebapiisavale elektrolüüdile. Õigeaegne ülevaatus ja hooldus on aku edasiste kahjustuste või ohutusjuhtumite vältimiseks üliolulised. Suurte akude (nt toiteakud ja energiasalvestusakud) puhul võib ebapiisav elektrolüüt mõjutada ka kogu süsteemi stabiilsust, mis nõuab keskendunud tähelepanu ja ennetamist.
