Elektrolītam kā litija{0}}jonu transportēšanai akumulatorā ir izšķiroša nozīme kā "jonu vadītājam", "elektroda saskarnes aizsargam" un "lādiņa pārvades tiltam". Tā daudzumam ir stingri jāatbilst akumulatora elektroda izmēram, porainībai un iekapsulēšanas tilpumam, lai nodrošinātu elektrodu aktīvo materiālu pietiekamu mitrināšanu un netraucētus litija -jonu transportēšanas ceļus. Nepietiekams elektrolīts (nozarē tiek saukts par "elektrolītu zem-") nav tikai nepietiekama barotnes problēma; tas izjauc akumulatora iekšējo elektroķīmisko līdzsvaru, izraisot virkni ķēdes reakciju, kas izraisa veiktspējas pasliktināšanos un drošības traucējumus. Lielākā daļa no šiem bojājumiem ir neatgriezeniski, nopietni ietekmējot akumulatora kalpošanas laiku un drošību. Tālāk sniegtajā analīzē, kuras pamatā ir akumulatoru faktiskie darbības principi, ir sīki aprakstīta to īpašā negatīvā ietekme un pamatā esošie mehānismi.
Lai atvieglotu skaidru izpratni, vispirms noskaidrosim pamatprincipu: elektrolīta galvenā funkcija ir izšķīdināt litija sāļus (piemēram, LiPF6, LiFSI utt.), nodrošinot brīvi kustīgus litija jonus, vienlaikus mitrinot pozitīvo un negatīvo elektrodu aktīvos materiālus (piemēram, trīskāršus materiālus, litija dzelzs atdalītājus, fosfātus utt.) elektrodu/elektrolītu saskarne (SEI plēve, CEI plēve), nodrošinot efektīvu un stabilu litija jonu transportu starp pozitīvo un negatīvo elektrodu.
I. Būtisks jaudas samazinājums (maza jauda)
Nepietiekama elektrolīta vistiešākā un intuitīvākā ietekme ir tāda, ka akumulatora faktiskā izlādes jauda ir ievērojami zemāka par projektēto jaudu, un šī jaudas samazināšanās ir neatgriezeniska, nepārtraukti pasliktinoties, palielinoties ciklu skaitam. Pamatmehānisms slēpjas faktā, ka elektrolīts nevar pilnībā samitrināt pozitīvo un negatīvo elektrodu aktīvos materiālus; tikai neliels daudzums virsmaktīvā materiāla var piedalīties litija jonu ievietošanas / ekstrakcijas reakcijā, savukārt liels daudzums iekšējā aktīvā materiāla paliek "dīkstāvē" un nevar veikt elektroķīmisko aktivitāti.
No struktūras viedokļa gan pozitīvie, gan negatīvie elektrodi ir poraini (ar porainību parasti no 30% līdz 50%). Elektrolītam pilnībā jāaizpilda šīs poras, lai litija joni varētu saskarties ar katru aktīvo daļiņu. Ja elektrolīts ir nepietiekams, nepārtraukta elektrolīta fāze nevar veidoties porās, un litija joni var pārvietoties tikai ierobežotā elektroda virsmas zonā. Tas ievērojami samazina litija jonu skaitu, kas piedalās elektroķīmiskajā reakcijā, novēršot pilnas projektētās jaudas atbrīvošanu izlādes laikā.
Turklāt zemā-elektrolīta stāvoklī pirmās uzlādes laikā daži nesamitrināti aktīvie materiāli nevar izveidot stabilu saskarnes plēvi. Pat ar sekojošu elektrolīta papildināšanu šie aktīvie materiāli, visticamāk, neatsāks aktivitāti, izraisot neatgriezenisku jaudas samazināšanos un novēršot atgūšanu līdz projektētajai vērtībai, izmantojot uzlādes ciklus.
ACEY-BCT560-64PLitija akumulatora jaudas testerisir ideāls risinājums litija{0}}jonu akumulatoru veiktspējas testēšanai un novērtēšanai. Šajā-modernākajā--aprīkojumā ir uzlabota tehnoloģija, lai precīzi izmērītu un analizētu dažādus parametrus, tostarp spriegumu, strāvu, temperatūru un citus parametrus.
II. Straujš akumulatora iekšējās pretestības pieaugums
Litija akumulatora iekšējā pretestība galvenokārt sastāv no trim daļām: omiskā pretestība, lādiņa pārneses pretestība un difūzijas pretestība. Nepietiekams elektrolīts izraisa pēdējo divu ievērojamu pieaugumu, galu galā izraisot strauju kopējās akumulatora iekšējās pretestības pieaugumu, kas savukārt ietekmē uzlādes/izlādes efektivitāti un izejas veiktspēju.
No vienas puses, palielināta lādiņa pārneses pretestība: lādiņa pārnešanas pretestība galvenokārt rodas elektroda/elektrolīta saskarnē, paļaujoties uz stabilu saskarnes plēvi un pietiekamu elektrolītu lādiņa pārnešanai. Ja elektrolīts ir nepietiekams, elektrodu virsma nav pietiekami samitrināta, un saskarnes plēves (SEI plēve, CEI plēve) nevar vienmērīgi pārklāt. Pretestība pret litija jonu ievietošanu/izvilkšanu uz elektroda virsmas palielinās, palēninot lādiņa pārnesi un izraisot lādiņa pārneses pretestības eksponenciālu pieaugumu. No otras puses, palielināta difūzijas pretestība: litija jonu difūzijas ātrums elektrolītā ir tieši saistīts ar elektrolīta nepārtrauktību un koncentrāciju. Nepietiekams elektrolīts izraisa nevienmērīgu elektrolītu koncentrāciju, dažos apgabalos pat kļūstot par tukšiem laukumiem, kas nav{4}}bez elektrolītu. Litija jonu difūzijas ceļš tiek bloķēts, difūzijas attālums kļūst garāks, un difūzijas pretestība ievērojami palielinās.
III. Būtiski pasliktinās cikla veiktspēja
Cikla veiktspēja ir litija akumulatora darbības ilguma galvenais rādītājs, kas attiecas uz akumulatora spēju uzturēt stabilu jaudu atkārtotu uzlādes{0}}izlādes ciklu laikā. Nepietiekams elektrolīta līmenis izraisa strauju cikla veiktspējas pasliktināšanos un ir pakļauti neparastām parādībām, piemēram, pēkšņam un nozīmīgam jaudas samazināšanās pēc viena cikla. Tas būtībā ir apburtais cikls, ko izraisa palielināta iekšējā pretestība.
Kā minēts iepriekš, nepietiekams elektrolīts palielina iekšējo pretestību. Palielinātas iekšējās pretestības galvenās sekas ir pastiprināta lokālā uzkarsēšana akumulatora uzlādes un izlādes laikā (saskaņā ar Džoula likumu Q=I²Rt, ar pastāvīgu strāvu lielāka iekšējā pretestība rada lielāku siltuma veidošanos). Lokalizēta pārkaršana paātrina elektrolītu sadalīšanos-augstā temperatūrā, elektrolīts tiek pakļauts redoksreakcijām, radot tādas gāzes kā CO₂ un HF, kā arī inertas vielas, kas vēl vairāk patērē atlikušo elektrolītu un noved pie vēl nepietiekamā elektrolīta daudzuma. Vienlaikus augsta temperatūra bojā arī stabilo plēvi pie elektroda/elektrolīta saskarnes (SEI plēve pārplīsīs un atjaunosies). Saplīsusī SEI plēve atkal patērēs litija jonus un elektrolītu, lai atjaunotos, vēl vairāk palielinot lādiņa pārneses pretestību.
Šis apburtais cikls "zems elektrolīta līmenis → paaugstināta iekšējā pretestība → lokalizēta sildīšana → elektrolīta sadalīšanās → saasināts zems elektrolīta līmenis" izraisa akumulatora jaudas nepārtrauktu samazināšanos riteņbraukšanas laikā, un samazināšanās ātrums palielinās. Kad ciklu skaits sasniedz noteiktu līmeni, saskarnes plēve pilnībā sabojājas vai elektrolīts ir izsmelts, notiek ievērojams jaudas kritums. Turklāt zems elektrolīta līmenis arī izraisa sliktu jaudas konsekvenci akumulatora cikla laikā. Vairāku-šūnu sērijas akumulatoru komplektā vispirms samazinās elementi ar zemu elektrolīta līmeni, tādējādi samazinot visa akumulatora veiktspēju un kalpošanas laiku.
IV. Spēcīga siltuma ģenerēšana uzlādes un izlādes laikā
Siltuma veidošanās, ko izraisa nepietiekams elektrolīts, ir kritiska saikne starp veiktspējas pasliktināšanos un drošības kļūmi. Siltuma ģenerācija galvenokārt rodas no diviem avotiem, kuriem ir kumulatīvs efekts, kas izraisa neparasti augstu akumulatora temperatūru un rada potenciālu agrīnu termiskās bēgšanas risku.
- Katalītiskā siltuma ģenerēšana iekšējās pretestības dēļ
Kā minēts iepriekš, nepietiekams elektrolīts izraisa strauju iekšējās pretestības pieaugumu, ievērojami palielinot džoula siltumu, kas rodas uzlādes un izlādes laikā. Turklāt nepietiekama elektrolīta dēļ samazinās arī tā paša siltuma izkliedes spēja (elektrolītam ir arī noteikta siltuma izkliedes funkcija, elektrodu radīto siltumu novadot uz akumulatora korpusu).
- Nenormāla reakcijas siltuma veidošanās
Nepietiekams elektrolīts izraisa nestabilitāti elektrodu saskarnes plēvē, padarot to pakļautu blakusreakcijām. Tas izpaužas kā ievērojama akumulatora korpusa temperatūras paaugstināšanās uzlādes un izlādes laikā (parastā uzlādes un izlādes temperatūra parasti ir 20-45 grādi, bet nepietiekams elektrolīta akumulatoru līmenis var paaugstināties virs 50 grādiem), īpaši pamanāms uzlādes laikā, dažkārt pat kļūstot "karsti pieskaroties". Ja akumulators tiek uzlādēts un izlādējies ar lielu ātrumu, siltuma veidošanās vēl vairāk pastiprināsies, iespējams, pārsniedzot elektrolīta sadalīšanās temperatūru (parasti virs 60 grādiem), paātrinot elektrolītu sadalīšanos un elektrodu novecošanos, radot iespējamu drošības apdraudējumu turpmākām kļūmēm. Turklāt ilgstoša siltuma veidošanās var izraisīt akumulatora korpusa deformāciju un hermētiķa novecošanos, kas var izraisīt elektrolīta noplūdi un vēl vairāk pasliktināt akumulatora stāvokli.
ACEY-BCT506-512Hakumulatora uzlādes izlādes pārbaudes iekārtaizmanto modernas elektroniskās uzraudzības un vadības ierīces, nevis manuālu darbu, lai reāllaikā uzraudzītu-reāllaika spriegumu, strāvu, jaudu, enerģiju, veidošanās stāvokli un citus sadalītās bateriju veidošanās parametrus, diagnosticētu un apstrādātu defektus, reģistrētu un analizētu attiecīgos datus, lai formēšanas procesā realizētu bez uzraudzības un pakešu apstrādi, Datorvadības programmatūra iekārtu centralizētai uzraudzībai un apkopei.
V. Litija pārklājums pie negatīvā elektroda jeb aizdedze
Šī ir nopietnākā negatīvā nepietiekama elektrolīta ietekme, kas tieši ietekmē akumulatora drošību un ir viens no primārajiem atteices režīmiem akumulatoriem, kam ir nepietiekams elektrolīta līmenis. Galvenais litija pārklājuma iemesls ir: nepietiekams elektrolīts izraisa sliktu lokālu negatīvā elektroda mitrināšanu, kā rezultātā SEI plēve veidojas nevienmērīgi. Litija joni nevar pareizi ievietoties starp grafīta slāņiem un var tikai nogulsnēt metālisku litiju uz negatīvā elektroda virsmas (ti, "litija pārklājums"), izraisot tiešu kontaktu starp pozitīvo un negatīvo elektrodu akumulatora iekšpusē, izraisot iekšēju īssavienojumu.
Iekšējais īssavienojums uzreiz rada lielu siltuma daudzumu, izraisot strauju akumulatora temperatūras paaugstināšanos (acumirklī pārsniedzot 100 grādus), izraisot termisku aizbēgšanu. Augsta temperatūra izraisa elektrolīta varenu sadalīšanos, radot lielu daudzumu uzliesmojošu un sprādzienbīstamu gāzu (piemēram, CO un CH4). Akumulatora iekšējais spiediens strauji paaugstinās, galu galā izraisot akumulatora korpusa plīsumu un noplūdi. Ja gāze nonāk saskarē ar gaisu vai ja iekšējā temperatūra sasniedz elektrolīta vai elektrodu materiālu aizdegšanās punktu, tā var aizdegties vai pat eksplodēt. Turklāt, pat ja nav iekšēja īssavienojuma, nogulsnētais metāliskais litijs reaģēs ar elektrolītu, patērējot gan elektrolīta, gan litija jonus, vēl vairāk paātrinot akumulatora darbības pasliktināšanos un drošības apdraudējumu. Izjaucot akumulatoru ar ļoti nepietiekamu elektrolīta līmeni, uz negatīvā elektroda virsmas var pat tieši novērot metāla litija nogulsnes, un tas var aizdegties.
Kopsavilkums
Nepietiekams elektrolīts litija akumulatoros nav "neliels defekts", bet drīzāk rada neatgriezeniskus akumulatora bojājumus no iekšpuses uz āru, ietekmējot veiktspēju, kalpošanas laiku un drošību. Tā triecienam piemīt "ķēdes reakcijas" raksturlielums: nepietiekams elektrolīts → nepietiekama mitrināšana → traucēta litija jonu transportēšana → palielināta iekšējā pretestība → palielināta siltuma veidošanās → elektrolīta sadalīšanās → pasliktinās elektrolīta daudzums → litija nogulsnēšanās → iekšējais īssavienojums → ugunsgrēks un sprādziens. Faktiskajā ražošanā un lietošanā izmantotā elektrolīta daudzums ir stingri jākontrolē, parasti precīzi aprēķina, pamatojoties uz tādiem parametriem kā elektrodu porainība un akumulatora tilpums, lai izvairītos no nepietiekamām elektrolīta problēmām.
Ja akumulators uzrāda ievērojamu darbības rādiusa samazināšanos (jaudas samazināšanās pārsniedz 20%), neparastu uzsilšanu uzlādes un izlādes laikā, pārmērīgi augstu uzlādes spriegumu, pārāk zemu izlādes spriegumu vai strauju jaudas samazināšanos riteņbraukšanas laikā, tas var liecināt par nepietiekamu elektrolīta līmeni. Savlaicīga pārbaude un apkope ir ļoti svarīga, lai novērstu turpmākus akumulatora bojājumus vai drošības incidentus. Lieliem akumulatoru blokiem, piemēram, barošanas akumulatoriem un enerģijas akumulatoriem, nepietiekams elektrolīts var ietekmēt arī visas sistēmas stabilitāti, kam nepieciešama koncentrēta uzmanība un profilakse.
