I. Giới thiệu
Pin lithium, như một thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng, đã được áp dụng rộng rãi trong xã hội hiện đại, chẳng hạn như trong xe điện và các thiết bị điện tử di động. Tuy nhiên, pin lithium có thể gặp phải các mạch ngắn trong quá trình sử dụng, điều này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mà còn có thể kích hoạt các vấn đề an toàn nghiêm trọng, chẳng hạn như hỏa hoạn và vụ nổ. Điện trở trong là một trong những chỉ số chính để đo hiệu suất pin lithium. Sự gia tăng điện trở trong dẫn đến giảm khả năng xả pin, giảm công suất và tuổi thọ dịch vụ rút ngắn. Do đó, nghiên cứu các nguyên nhân của việc tăng điện trở trong pin lithium trong các mạch ngắn có ý nghĩa lý thuyết và thực tế quan trọng.
Ii. Thành phần của điện trở nội bộ lithium
Điện trở trong của pin lithium chủ yếu bao gồm khả năng chống phân cực và kháng ohmic. Điện trở Ohmic bao gồm điện trở của chính các điện cực, điện trở của dung dịch điện phân, điện trở gặp phải bởi các ion đi qua các micropores của thiết bị tách và điện trở tiếp xúc giữa các điện cực dương\/âm và thiết bị tách. Điện trở phân cực là điện trở dẫn được hình thành do sự phân cực điện cực trong quá trình sạc và xả pin, bao gồm phân cực điện hóa và phân cực nồng độ. Phân cực điện hóa được gây ra bởi sự chậm chạp của các phản ứng điện cực, trong khi sự phân cực nồng độ là do sự thay đổi nồng độ ion gần bề mặt điện cực.
Iii. Phân tích các nguyên nhân của việc tăng điện trở trong pin lithium trong các mạch ngắn
(I) Nguyên nhân gốc cấp vật liệu
1. Phân tích các vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực
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 (>100nm). Sự phát triển của các sợi nhánh lithium có thể đâm thủng bộ phân cách, gây ra một đoạn ngắn pin, trong khi màng SEI quá dày có thể cản trở sự di chuyển ion lithium và tăng điện trở bên trong pin.
2. Các vấn đề về sự lão hóa và giao diện
Các sản phẩm phân hủy chất điện phân (như LIF, LI₂CO₃) tích lũy trên bề mặt điện cực, tạo thành một lớp giao diện kháng cáo cao. Trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc quá mức, độ nhớt điện phân tăng và hiệu quả vận chuyển ion lithium giảm. Ví dụ, khi pin ở trong môi trường nhiệt độ cao, độ nhớt của chất điện phân tăng và tốc độ di chuyển của các ion lithium chậm lại, dẫn đến tăng điện trở bên trong pin.
3. Bộ sưu tập hiện tại và suy thoái tab
Quá trình oxy hóa hoặc ăn mòn của lá nhôm\/đồng dẫn đến sự gia tăng điện trở tiếp xúc (phổ biến trong môi trường có độ ẩm cao). Hàn ảo của các điểm hàn tab hoặc mệt mỏi vật liệu (như trong điều kiện rung) gây ra sức đề kháng cục bộ để nhân lên. Trong quá trình sử dụng pin, bộ thu và các tab hiện tại có thể trải qua quá trình oxy hóa hoặc ăn mòn do các yếu tố môi trường, dẫn đến sự gia tăng sức đề kháng tiếp xúc. Đồng thời, hàn ảo của các điểm hàn tab hoặc mệt mỏi vật liệu cũng có thể làm tăng sức đề kháng cục bộ.
(Ii) Hiệu quả chồng chất của các khiếm khuyết quá trình
1. Lớp phủ của các tấm điện cực
Biến động về mật độ khu vực (± 5% trở lên) dẫn đến sự phân bố hiện tại không đồng đều và sự gia tăng đáng kể trong kháng phân cực cục bộ. Nếu lớp phủ của các tấm điện cực không đồng đều, nó sẽ dẫn đến sự phân bố hiện tại không đồng đều bên trong pin, với một số khu vực có mật độ hiện tại quá cao, do đó gây ra sự gia tăng điện trở phân cực cục bộ.
2.Lỗi trong các quy trình xếp chồng\/cuộn dây
Sự sai lệch của các tấm điện cực dẫn đến tiếp xúc với Burr Edge, làm tăng nguy cơ các mạch ngắn siêu tốc và trở kháng bổ sung. Trong quá trình sản xuất pin, nếu có lỗi trong quá trình xếp chồng hoặc cuộn dây, nó có thể gây ra sự sai lệch của các tấm điện cực, dẫn đến tiếp xúc với Burr Edge, làm tăng nguy cơ của các mạch ngắn siêu tốc và trở kháng bổ sung.
3.Không đủ điện phân và làm ướt
Các chất điện phân không thâm nhập hoàn toàn các lỗ chân lông (mức độ ướt <90%), chặn các kênh ion. Nếu chất điện phân không xâm nhập hoàn toàn các lỗ chân lông, nó sẽ chặn các kênh ion, làm chậm tốc độ di chuyển của các ion lithium và tăng điện trở bên trong pin.
(Iii) Tác động của môi trường sử dụng và điều kiện hoạt động
1.Môi trường nhiệt độ thấp
Độ dẫn ion của chất điện phân giảm hơn 50%, và cả điện trở ohmic và điện trở phân cực tăng. Trong một môi trường nhiệt độ thấp, độ dẫn ion của chất điện phân giảm đáng kể, dẫn đến sự gia tăng điện trở ohmic pin và điện trở phân cực.
2.Sạc và xả tốc độ cao
Phân cực nồng độ tăng cường, nền tảng điện áp sụp đổ và điện trở bên trong hiệu quả tăng 20% - 40%. Khi pin trải qua khi sạc và xả tốc độ cao, nồng độ ion gần bề mặt điện cực thay đổi nhanh chóng, dẫn đến sự phân cực nồng độ tăng cường và tăng khả năng chống điện trở hiệu quả của pin.
3.Lão hóa đạp xe dài hạn
Các hiệu ứng tích lũy như mất lithium hoạt động và giảm độ xốp điện cực dẫn đến tốc độ tăng trưởng điện trở trong hàng năm vượt quá 5%. Trong quá trình sử dụng pin dài hạn của pin, lithium hoạt động giảm dần và độ xốp điện cực cũng giảm. Những hiệu ứng tích lũy này dẫn đến tốc độ tăng trưởng điện trở trong hàng năm vượt quá 5%.
Không
1.Local quá nóng
Dòng điện lớn được tạo ra trong thời gian ngắn dẫn đến sự gia tăng mạnh về nhiệt độ cục bộ bên trong pin. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ suy giảm của các vật liệu bên trong pin, chẳng hạn như phân hủy điện phân và thay đổi cấu trúc vật liệu điện cực, tăng thêm điện trở bên trong. Ví dụ, khi pin trải qua một đường ngắn, vị trí ngắn mạch tạo ra một lượng lớn nhiệt, khiến nhiệt độ cục bộ tăng lên và phân hủy chất điện phân, tạo thành lớp giao diện kháng cáo cao và tăng điện trở bên trong pin.
2. Thiệt hại cấu trúc
Dòng điện khổng lồ và nhiệt được tạo ra trong thời gian ngắn có thể dẫn đến thiệt hại cấu trúc bên trong pin, chẳng hạn như phân tách tan chảy và biến dạng vật liệu điện cực. Những thiệt hại cấu trúc này ảnh hưởng trực tiếp đến các kênh vận chuyển ion và điện tử của pin, dẫn đến sự gia tăng đáng kể điện trở bên trong. Ví dụ, nhiệt độ cao được tạo ra trong thời gian ngắn có thể làm tan chảy bộ phân cách, gây ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực dương và âm, tạo thành một dòng điện ngắn lớn hơn và cũng làm hỏng cấu trúc của vật liệu điện cực, tăng điện trở bên trong pin.
Iv. Phần kết luận
Nguyên nhân của việc tăng điện trở bên trong pin lithium trong các mạch ngắn là nhiều mặt, bao gồm các nguyên nhân gốc ở cấp độ vật liệu, tác dụng chồng chất của các khiếm khuyết quá trình, tác động của môi trường sử dụng và điều kiện vận hành, và quá nóng cục bộ và thiệt hại cấu trúc do các mạch ngắn gây ra. Những yếu tố này tương tác với nhau, tập thể dẫn đến sự gia tăng sức đề kháng bên trong pin lithium trong các mạch ngắn. Hiểu những nguyên nhân này có ý nghĩa lớn đối với thiết kế, sản xuất, sử dụng và bảo trì pin lithium. Trong giai đoạn thiết kế pin, các vật liệu thích hợp nên được chọn và xử lý các tham số được tối ưu hóa để giảm điện trở bên trong pin. Trong quá trình sử dụng pin, pin phải tránh xa môi trường sử dụng khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và độ ẩm cao, và tốc độ sạc và xả của pin phải được kiểm soát hợp lý để kéo dài thời gian phục vụ pin và đảm bảo an toàn pin. Đồng thời, đối với các pin đã trải qua một thời gian ngắn, nên xử lý kịp thời để tránh kích hoạt các vấn đề an toàn nghiêm trọng hơn. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tiếp tục đi sâu vào cơ chế tăng điện trở trong pin lithium trong các mạch ngắn và phát triển các công nghệ bảo vệ và quản lý pin hiệu quả hơn để cải thiện hiệu suất và an toàn của pin lithium.