I. INNLEDNING
Litiumbatterier, som en viktig energilagringsenhet, har blitt brukt mye i det moderne samfunn, for eksempel i elektriske kjøretøyer og bærbare elektroniske enheter. Imidlertid kan litiumbatterier oppleve kortslutning under bruk, noe som ikke bare påvirker batteriets ytelse, men også kan utløse alvorlige sikkerhetsproblemer, for eksempel branner og eksplosjoner. Intern motstand er en av de viktigste indikatorene for å måle litiumbatteriets ytelse. En økning i intern motstand fører til en reduksjon i utskrivningskapasitet for batteri, en reduksjon i kapasitet og en forkortet levetid. Derfor har det viktig å studere årsakene til intern motstandsøkning i litiumbatterier i løpet av kortslutnings teoretisk og praktisk betydning.
Ii. Sammensetning av litiumbatteri intern motstand
Den indre motstanden til et litiumbatteri består hovedsakelig av ohmisk motstand og polarisasjonsmotstand. Ohmisk motstand inkluderer motstanden til elektrodene selv, motstanden til elektrolyttløsningen, motstanden som oppstår ved ioner som går gjennom mikroporene til separatoren, og kontaktmotstanden mellom de positive\/negative elektrodene og separatoren. Polarisasjonsmotstand er den ledende motstanden som dannes på grunn av elektrodepolarisering under batterilading og utskrivning, inkludert elektrokjemisk polarisering og konsentrasjonspolarisering. Elektrokjemisk polarisering er forårsaket av treghet av elektrodereaksjoner, mens konsentrasjonspolarisering er forårsaket av endringer i ionekonsentrasjonen nær elektrodeoverflaten.
Iii. Analyse av årsakene til intern motstandsøkning i litiumbatterier under kortslutning
(I) årsaker på materialnivå
1. Oppnåing av positive og negative aktive materialer
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 nm). Veksten av litiumdendritter kan punktere separatoren, og forårsake kortslutning av batteri, mens en altfor tykk SEI -film kan hindre litiumion migrasjon og øke batteriets indre motstand.
2. Elektrolytt aldring og grensesnittproblemer
Elektrolyttdekomponeringsprodukter (for eksempel LIF, Li₂Co₃) akkumuleres på elektrodeoverflaten, og danner et høyimpedansgrensesnittlag. Under høye temperatur- eller overladningsforhold øker elektrolyttviskositeten, og litiumiontransporteffektiviteten reduseres. For eksempel, når et batteri er i et miljø med høy temperatur, øker viskositeten til elektrolytten, og migrasjonshastigheten til litiumioner bremser, noe som fører til en økning i batteriets indre motstand.
3. Current Collector and Tab Degradation
Oksidasjon eller korrosjon av aluminium\/kobberfolie fører til en økning i kontaktmotstand (vanlig i miljøer med høyt humiditet). Virtuell sveising av fane sveisepunkter eller materialutmattelse (for eksempel under vibrasjonsbetingelser) fører til at lokal motstand multipliserer. Under batteribruk kan den nåværende samleren og fanene gjennomgå oksidasjon eller korrosjon på grunn av miljøfaktorer, noe som fører til en økning i kontaktmotstanden. Samtidig kan virtuell sveising av sveisepunkter eller materiell utmattelse også øke lokal motstand.
(Ii) Superposisjonseffekt av prosessdefekter
1.Unven belegg av elektrodeplater
Svingninger i areal tetthet (± 5% eller mer) fører til ujevn strømfordeling og en betydelig økning i lokal polarisasjonsresistens. Hvis belegget av elektrodeark er ujevn, vil det føre til ujevn strømfordeling inne i batteriet, med visse områder som har for høy strømtetthet, og dermed forårsaker en økning i lokal polarisasjonsmotstand.
2.Feil i stabling\/viklingsprosesser
Feiljustering av elektrodeark fører til kantburr-kontakt, noe som øker risikoen for mikro-kortkretser og ytterligere impedans. Under batteriproduksjon, hvis det er feil i stablings- eller viklingsprosessen, kan det føre til feiljustering av elektrodeark, noe som fører til kantkontakt, noe som øker risikoen for mikro-kortkretser og ytterligere impedans.
3.Utilstrekkelig elektrolyttinjeksjon og fukting
Elektrolytten trenger ikke fullt gjennom separatorporene (fuktingsgrad <90%), og blokkerer ionekanaler. Hvis elektrolytten ikke trenger gjennom separatorporene, vil den blokkere ionekanaler, bremse migrasjonshastigheten til litiumioner og øke batteriets indre motstand.
(Iii) Virkning av bruksmiljø og driftsforhold
1.Miljø med lav temperatur
Den ioniske konduktiviteten til elektrolytten synker med mer enn 50%, og både ohmisk motstand og polarisasjonsresistens øker. I et miljø med lav temperatur, reduseres elektrolyttens ioniske ledningsevne betydelig, noe som fører til en økning i batteri-ohmisk motstand og polarisasjonsmotstand.
2.Høyhastighet lading og utladning
Konsentrasjonspolarisasjonen intensiveres, spenningsplattformen kollapser, og effektiv indre motstand øker med 20% - 40%. Når et batteri gjennomgår høyhastighetsladning og utslipp, endres ionekonsentrasjonen nær elektrodeoverflaten raskt, noe som fører til intensivert konsentrasjonspolarisering og en økning i batteriffektiv intern motstand.
3.Langsiktig sykkel aldring
Kumulative effekter som aktivt litiumtap og en reduksjon i elektrodeporøsitet fører til en årlig indre motstandsveksthastighet som overstiger 5%. Under den langsiktige sykkelbruken av et batteri, avtar også aktivt litium gradvis, og elektrodeporøsiteten avtar også. Disse kumulative effektene fører til en årlig indre motstandsveksthastighet som overstiger 5%.
(Iv) Lokal overoppheting og strukturelle skader forårsaket av kortslutning
1. Lokal overoppheting
Den store strømmen som genereres under en kortslutning fører til en kraftig økning i lokal temperatur inne i batteriet. Høye temperaturer akselererer nedbrytningen av batteriets indre materialer, for eksempel elektrolyttdekomponering og endringer i elektrode materialstruktur, og øker ytterligere indre motstand. For eksempel, når et batteri opplever en kortslutning, genererer kortslutningen en stor mengde varme, noe som fører til at lokal temperatur stiger og elektrolytt-nedbrytningen, og danner et høyimpedansgrensesnittlag og øker batteriets indre motstand.
2.strukturelle skader
Den enorme strømmen og varmen som genereres under en kortslutning kan føre til strukturelle skader inne i batteriet, for eksempel separators smelting og deformasjon av elektrodemateriale. Disse strukturelle skadene påvirker direkte ion- og elektrontransportkanalene til batteriet, noe som fører til en betydelig økning i indre motstand. For eksempel kan den høye temperaturen som genereres under en kortslutning smelte separatoren, forårsake direkte kontakt mellom de positive og negative elektrodene, danne en større kortslutningsstrøm, og også skade strukturen til elektrodematerialene, øke batteriets indre motstand.
IV. Konklusjon
Årsakene til intern motstand øker i litiumbatterier i løpet av kortslutning er mangefasettert, inkludert årsaker på materialnivå, superposisjonseffekten av prosessdefekter, virkningen av bruksmiljø og driftsforhold, og lokal overoppheting og strukturell skade forårsaket av kortslutning. Disse faktorene samhandler med hverandre, noe som samlet fører til en økning i indre motstand i litiumbatterier under kortslutning. Å forstå disse årsakene er av stor betydning for design, produksjon, bruk og vedlikehold av litiumbatterier. I batteridesignstadiet skal passende materialer velges og prosessparametere optimaliseres for å redusere batteriets indre motstand. Under batteribruk skal batteriet holdes borte fra tøffe bruksmiljøer, for eksempel høye temperaturer, lave temperaturer og høy luftfuktighet, og batteriets lading og utladningshastighet skal kontrolleres rimelig for å forlenge batteritivet og sikre batterisikkerhet. Samtidig, for batterier som allerede har opplevd en kortslutning, bør rettidig behandling utføres for å unngå å utløse mer alvorlige sikkerhetsproblemer. Fremtidig forskning bør ytterligere fordype seg i mekanismen for intern motstandsøkning i litiumbatterier under kortslutning og utvikle mer effektive batterihåndtering og beskyttelsesteknologier for å forbedre litiumbatteriets ytelse og sikkerhet.