تحليل أسباب زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم خلال الدوائر القصيرة

I. مقدمة

تم تطبيق بطاريات الليثيوم ، كجهاز تخزين للطاقة مهم ، على نطاق واسع في المجتمع الحديث ، كما هو الحال في السيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المحمولة. ومع ذلك ، قد تواجه بطاريات الليثيوم دوائر قصيرة أثناء الاستخدام ، والتي لا تؤثر فقط على أداء البطارية ولكن يمكن أن تؤدي أيضًا إلى مشكلات أمان خطيرة ، مثل الحرائق والانفجارات. المقاومة الداخلية هي واحدة من المؤشرات الرئيسية لقياس أداء بطارية الليثيوم. تؤدي الزيادة في المقاومة الداخلية إلى انخفاض في سعة تصريف البطارية ، وانخفاض السعة ، وعمر الخدمة المختصرة. لذلك ، فإن دراسة أسباب زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم خلال الدوائر القصيرة لها أهمية نظرية وعملية مهمة.

الثاني. تكوين مقاومة بطارية الليثيوم الداخلية

تتكون المقاومة الداخلية لبطارية الليثيوم بشكل أساسي من المقاومة الأومية ومقاومة الاستقطاب. تشمل المقاومة الأومية مقاومة الأقطاب الأقطاب نفسها ، ومقاومة محلول الإلكتروليت ، والمقاومة التي واجهتها أيونات تمر عبر micropores من الفاصل ، ومقاومة التلامس بين الأقطاب الإيجابية\/السلبية والفاصل. مقاومة الاستقطاب هي المقاومة الموصلة التي تشكلت بسبب استقطاب القطب أثناء شحن البطارية وتفريغها ، بما في ذلك الاستقطاب الكهروكيميائي واستقطاب التركيز. يحدث الاستقطاب الكهروكيميائي بسبب تباطؤ تفاعلات الإلكترود ، في حين أن استقطاب التركيز ناتج عن التغيرات في تركيز الأيونات بالقرب من سطح القطب.

ثالثا. تحليل أسباب زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم خلال الدوائر القصيرة

(ط) الأسباب الجذرية على مستوى المواد

1. تحيز المواد النشطة الإيجابية والسلبية

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 نانومتر). يمكن أن يؤدي نمو التشعبات الليثيوم إلى ثقب الفاصل ، مما تسبب في دائرة قصيرة للبطارية ، في حين أن فيلم SEI سميكًا بشكل مفرط يمكن أن يعيق ترحيل أيون الليثيوم ويزيد من المقاومة الداخلية للبطارية.

2. قضايا الشيخوخة والواجهة الإلكترونية

تتراكم منتجات تحلل المنحل بالكهرباء (مثل LIF ، li₂co₃) على سطح القطب ، وتشكل طبقة واجهة عالية الإمكانية. في ظل ظروف درجات الحرارة العالية أو الزائدة ، تزداد لزوجة الإلكتروليت ، وتناقص كفاءة النقل الأيونية الليثيوم. على سبيل المثال ، عندما تكون البطارية في بيئة عالية درجة الحرارة ، تزداد لزوجة المنحل بالكهرباء ، ويتباطأ معدل ترحيل أيونات الليثيوم ، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية للبطارية.

3. جامع الجمع وتدهور علامة التبويب

يؤدي أكسدة أو تآكل رقائق الألومنيوم\/النحاس إلى زيادة في مقاومة التلامس (شائعة في بيئات الرطوبة العالية). يتسبب اللحام الظاهري لنقاط اللحام في علامات التبويب أو التعب المادي (مثل ظروف الاهتزاز) في المقاومة المحلية للضرب. أثناء استخدام البطارية ، قد يخضع جامع وعلامات التبويب الحالية للأكسدة أو التآكل بسبب العوامل البيئية ، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة التلامس. في الوقت نفسه ، يمكن أن يؤدي اللحام الظاهري لنقاط اللحام أو التعب المادي أيضًا إلى زيادة المقاومة المحلية.

(2) تأثير تراكب عيوب العملية

1. طلاء صفائح الإلكترود

تؤدي التقلبات في كثافة المساحات (± 5 ٪ أو أكثر) إلى توزيع الحالي غير متساو وزيادة كبيرة في مقاومة الاستقطاب المحلية. إذا كان طلاء أوراق الإلكترود غير متساوٍ ، فسيؤدي ذلك إلى توزيع الحالي غير متكافئ داخل البطارية ، مع وجود بعض المناطق ذات الكثافة الحالية بشكل مفرط ، مما يسبب زيادة في مقاومة الاستقطاب المحلية.

2.الأخطاء في عمليات التراص\/التعويذة

يؤدي اختلال صفائح الإلكترود إلى ملامسة الحافة ، مما يزيد من خطر الدوائر الصغيرة والمعاوقة الإضافية. أثناء تصنيع البطاريات ، إذا كانت هناك أخطاء في عملية التراص أو اللف ، فقد يتسبب ذلك في اختلال صفائح الإلكترود ، مما يؤدي إلى ملامسة الحافة ، مما يزيد من خطر الدوائر الصغيرة والمعاوقة الإضافية.

3.حقن الإلكتروليت غير الكافي والترطيب

لا يخترق المنحل بالكهرباء مسام الفاصل بالكامل (درجة الترطيب <90 ٪) ، ويمنع قنوات أيون. إذا لم يخترق المنحل بالكهرباء مسام الفاصل بالكامل ، فسوف يمنع القنوات الأيونية ، ويؤدي إلى إبطاء معدل ترحيل أيونات الليثيوم ، ويزيد من المقاومة الداخلية للبطارية.

(3) تأثير بيئة الاستخدام وظروف التشغيل

1.بيئة درجات الحرارة المنخفضة

تنخفض الموصلية الأيونية للكهرباء بأكثر من 50 ٪ ، وزيادة المقاومة الأومية ومقاومة الاستقطاب. في بيئة درجات الحرارة المنخفضة ، تنخفض الموصلية الأيونية للكهرباء بشكل كبير ، مما يؤدي إلى زيادة في المقاومة الأومية البطارية ومقاومة الاستقطاب.

2.شحن وتفريغ عالي معدل

يكثف استقطاب التركيز ، ينهار منصة الجهد ، وزيادة المقاومة الداخلية الفعالة بنسبة 20 ٪ - 40 ٪. عندما تخضع البطارية في شحن وتفريغ عالي معدل ، يتغير تركيز الأيونات بالقرب من سطح القطب بسرعة ، مما يؤدي إلى استقطاب التركيز المكثف وزيادة المقاومة الداخلية الفعالة للبطارية.

3.شيخوخة ركوب الدراجات على المدى الطويل

الآثار التراكمية مثل فقدان الليثيوم النشط وانخفاض في مسامية الإلكترود يؤدي إلى معدل نمو مقاومة داخلي سنوي يتجاوز 5 ٪. أثناء استخدام ركوب الدراجات على المدى الطويل للبطارية ، يستنزف الليثيوم النشط تدريجياً ، كما يتناقص مسامية الإلكترود. هذه الآثار التراكمية تؤدي إلى معدل نمو مقاومة داخلي سنوي يتجاوز 5 ٪.

(4) ارتفاع درجة الحرارة المحلية والأضرار الهيكلية الناجمة عن الدوائر القصيرة

1. ارتفاع درجة الحرارة

يؤدي التيار الكبير الناتج خلال ماسورة قصيرة إلى زيادة حادة في درجة الحرارة المحلية داخل البطارية. درجات الحرارة العالية تسرع تدهور المواد الداخلية للبطارية ، مثل تحلل المنحل بالكهرباء والتغيرات في بنية مادة الإلكترود ، مما يزيد من المقاومة الداخلية. على سبيل المثال ، عندما تعاني البطارية من دائرة قصيرة ، يولد موقع الدائرة القصيرة كمية كبيرة من الحرارة ، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة المحلية وتحلل الإلكتروليت ، مما يشكل طبقة واجهة عالية التبعية وزيادة المقاومة الداخلية للبطارية.

2. أضرار بنية

قد يؤدي التيار الضخم والحرارة الناتجة خلال ماسورة قصيرة إلى تلف هيكلي داخل البطارية ، مثل ذوبان الفاصل وتشوه مادة الإلكترود. تؤثر هذه الأضرار الهيكلية بشكل مباشر على قنوات النقل الأيونية والإلكترون للبطارية ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في المقاومة الداخلية. على سبيل المثال ، قد تذوب درجة الحرارة العالية الناتجة أثناء دائرة قصيرة من الفاصل ، مما يسبب التلامس المباشر بين الأقطاب الإيجابية والسلبية ، وتشكيل تيار ماس قصير أكبر ، وكذلك إتلاف بنية مواد القطب ، مما يزيد من المقاومة الداخلية للبطارية.

رابعا. خاتمة

تزيد أسباب زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم أثناء الدوائر القصيرة ، بما في ذلك الأسباب الجذرية على مستوى المواد ، وتأثير التراكب لعيوب العمليات ، وتأثير بيئة الاستخدام وظروف التشغيل ، والتسخين المحلي والتلف الهيكلي الناتج عن الدوائر القصيرة. تتفاعل هذه العوامل مع بعضها البعض ، مما يؤدي بشكل جماعي إلى زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم خلال الدوائر القصيرة. إن فهم هذه الأسباب له أهمية كبيرة لتصميم وتصنيع وصيانة بطاريات الليثيوم. في مرحلة تصميم البطارية ، يجب تحديد المواد المناسبة وأن يتم تحسين المعلمات لتقليل المقاومة الداخلية للبطارية. أثناء استخدام البطارية ، يجب إبقاء البطارية بعيدًا عن بيئات الاستخدام القاسية ، مثل ارتفاع درجات الحرارة ودرجات الحرارة المنخفضة والرطوبة المرتفعة ، ويجب التحكم في معدل الشحن والتفريغ للبطارية بشكل معقول لتمديد عمر خدمة البطارية وضمان سلامة البطارية. في الوقت نفسه ، بالنسبة للبطاريات التي شهدت بالفعل دائرة قصيرة ، ينبغي إجراء علاج في الوقت المناسب لتجنب إثارة مشاكل السلامة الأكثر خطورة. يجب أن تتناقص الأبحاث المستقبلية في آلية زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم خلال الدوائر القصيرة وتطوير تقنيات إدارة البطارية أكثر فعالية لتحسين أداء بطارية الليثيوم وسلامته.