Chất điện giải không đủ có tác động tiêu cực gì đến pin lithium?

Là phương tiện cốt lõi để vận chuyển ion lithium{0}}trong pin, chất điện phân đóng vai trò quan trọng như "chất dẫn ion", "bộ bảo vệ giao diện điện cực" và "cầu truyền điện tích". Số lượng của nó phải phù hợp chặt chẽ với kích thước điện cực, độ xốp và thể tích đóng gói của pin để đảm bảo đủ độ ẩm cho vật liệu hoạt động của điện cực và đường vận chuyển ion lithium-không bị cản trở. Không đủ chất điện phân (trong ngành gọi là "dưới{4}}chất điện phân") không chỉ đơn giản là vấn đề không đủ môi trường; nó phá vỡ sự cân bằng điện hóa bên trong của pin, gây ra một loạt phản ứng dây chuyền dẫn đến suy giảm hiệu suất và mất an toàn. Hầu hết những hư hỏng này là không thể khắc phục được, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và độ an toàn của pin. Phân tích sau đây, dựa trên nguyên tắc hoạt động thực tế của pin, nêu chi tiết các tác động tiêu cực cụ thể và cơ chế cơ bản của nó.

Để hiểu rõ hơn, trước tiên chúng ta hãy làm rõ tiền đề cốt lõi: Chức năng cốt lõi của chất điện phân là hòa tan muối lithium (như LiPF6, LiFSI, v.v.), cung cấp các ion lithium chuyển động tự do, đồng thời làm ướt các vật liệu hoạt động điện cực dương và âm (chẳng hạn như vật liệu ternary, lithium sắt photphat, than chì, v.v.) và thiết bị phân tách, xây dựng giao diện điện cực/điện phân ổn định (màng SEI, màng CEI), đảm bảo vận chuyển ion lithium hiệu quả và ổn định giữa các điện cực dương và âm.

Tác động trực tiếp và trực quan nhất của việc không đủ chất điện phân là khả năng xả thực tế của pin thấp hơn đáng kể so với công suất thiết kế và sự suy giảm công suất này là không thể đảo ngược, liên tục xấu đi khi số chu kỳ ngày càng tăng. Cơ chế cốt lõi nằm ở chỗ các vật liệu hoạt động điện cực dương và âm không thể bị chất điện phân làm ướt hoàn toàn; chỉ một lượng nhỏ vật liệu hoạt động bề mặt có thể tham gia vào phản ứng chèn/rút lithium ion, trong khi một lượng lớn vật liệu hoạt động bên trong vẫn "không hoạt động" và không thể thực hiện hoạt động điện hóa.

Từ góc độ cấu trúc, cả điện cực dương và điện cực âm đều có độ xốp (với độ xốp thường nằm trong khoảng từ 30% đến 50%). Chất điện phân phải lấp đầy hoàn toàn các lỗ này để cho phép các ion lithium tiếp xúc với mọi hạt hoạt động. Nếu chất điện phân không đủ, pha điện phân liên tục không thể hình thành trong lỗ chân lông và các ion lithium chỉ có thể di chuyển trong một khu vực giới hạn trên bề mặt điện cực. Điều này làm giảm đáng kể số lượng ion lithium tham gia phản ứng điện hóa, ngăn cản việc giải phóng toàn bộ công suất thiết kế trong quá trình phóng điện.

Hơn nữa, ở trạng thái-điện phân thấp, trong lần sạc đầu tiên, một số vật liệu hoạt động không được làm ướt không thể tạo thành lớp màng phân cách ổn định. Ngay cả khi được bổ sung chất điện phân sau đó, các vật liệu hoạt tính này khó có thể hoạt động trở lại, dẫn đến suy giảm công suất không thể đảo ngược và ngăn cản việc phục hồi về giá trị thiết kế thông qua các chu kỳ sạc.

ACEY-BCT560-64PMáy kiểm tra dung lượng pin lithiumlà giải pháp hoàn hảo để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của pin lithium{0}}ion. Thiết bị hiện đại này có công nghệ tiên tiến giúp đo và phân tích chính xác nhiều thông số khác nhau, bao gồm điện áp, dòng điện, nhiệt độ, v.v.

Điện trở trong của pin lithium chủ yếu bao gồm ba phần: điện trở ohmic, điện trở truyền điện tích và điện trở khuếch tán. Chất điện phân không đủ dẫn đến sự gia tăng đáng kể của hai chất sau, cuối cùng khiến tổng điện trở trong của pin tăng mạnh, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất sạc/xả và hiệu suất đầu ra.

Một mặt, điện trở truyền điện tích tăng lên: Điện trở chuyển điện tích chủ yếu xảy ra ở bề mặt phân cách điện cực/chất điện phân, dựa vào màng giao thoa ổn định và đủ chất điện phân để truyền điện tích. Khi chất điện phân không đủ, bề mặt điện cực không được làm ướt đầy đủ và các màng giao tiếp (màng SEI, màng CEI) không thể được phủ đồng đều. Điện trở chèn/rút ion lithium trên bề mặt điện cực tăng lên, làm chậm quá trình truyền điện tích và khiến điện trở chuyển điện tích tăng theo cấp số nhân. Mặt khác, khả năng chống khuếch tán tăng: Tốc độ khuếch tán của các ion lithium trong chất điện phân liên quan trực tiếp đến tính liên tục và nồng độ của chất điện phân. Không đủ chất điện giải dẫn đến nồng độ chất điện phân không đồng đều, thậm chí một số khu vực trở thành vùng trống "không có chất điện giải". Đường khuếch tán của các ion lithium bị chặn, khoảng cách khuếch tán trở nên dài hơn và khả năng cản khuếch tán tăng lên đáng kể.

Hiệu suất chu kỳ là chỉ báo cốt lõi về tuổi thọ của pin lithium, đề cập đến khả năng duy trì công suất ổn định của pin trong các chu kỳ sạc-xả lặp lại. Chất điện phân không đủ dẫn đến hiệu suất chu trình giảm sút rõ rệt và dễ xảy ra các hiện tượng bất thường như giảm công suất đột ngột và đáng kể sau một chu kỳ. Đây thực chất là một vòng luẩn quẩn do sức đề kháng bên trong tăng lên.

Như đã đề cập trước đó, chất điện giải không đủ sẽ dẫn đến tăng sức đề kháng bên trong. Hậu quả cốt lõi của việc điện trở trong tăng lên là hiện tượng nóng lên cục bộ trong quá trình sạc và xả pin (theo định luật Joule Q{1}}I²Rt, với dòng điện không đổi, điện trở trong cao hơn sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn). Quá nhiệt cục bộ làm tăng tốc độ phân hủy chất điện phân-ở nhiệt độ cao, chất điện phân trải qua các phản ứng oxy hóa khử, tạo ra các loại khí như CO₂ và HF, cũng như các chất trơ, tiêu thụ thêm chất điện phân còn lại và dẫn đến tình trạng thiếu chất điện phân nhiều hơn. Đồng thời, nhiệt độ cao cũng làm hỏng lớp màng ổn định ở bề mặt phân cách điện cực/chất điện phân (màng SEI sẽ bị vỡ và tái tạo lại). Màng SEI bị vỡ sẽ tiêu thụ các ion lithium và chất điện phân một lần nữa để tự sửa chữa, làm tăng thêm khả năng chống truyền điện tích.

Vòng luẩn quẩn này gồm "mức điện phân thấp → tăng điện trở trong → nóng lên cục bộ → phân hủy chất điện phân → mức điện phân thấp trầm trọng hơn" khiến dung lượng pin liên tục giảm trong quá trình đạp xe và tốc độ suy giảm ngày càng tăng. Khi số chu kỳ đạt đến một mức nhất định, màng giao thoa hoàn toàn bị hỏng hoặc chất điện phân cạn kiệt, công suất sẽ giảm đáng kể. Hơn nữa, mức điện phân thấp cũng dẫn đến độ ổn định công suất kém trong quá trình hoạt động của pin. Trong bộ pin dòng nhiều{3}}cell, các tế bào có mức điện phân thấp sẽ suy giảm trước tiên, do đó làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của toàn bộ bộ pin.

Sự sinh nhiệt do không đủ chất điện phân là mối liên hệ quan trọng giữa sự suy giảm hiệu suất và lỗi an toàn. Sự sinh nhiệt chủ yếu bắt nguồn từ hai nguồn, có tác động tích lũy, dẫn đến nhiệt độ pin cao bất thường và tiềm ẩn nguy cơ thoát nhiệt sớm.

• Sinh nhiệt xúc tác do sức đề kháng nội bộ

Như đã đề cập trước đó, chất điện phân không đủ dẫn đến điện trở trong tăng mạnh, làm tăng đáng kể nhiệt Joule sinh ra trong quá trình sạc và phóng điện. Hơn nữa, do chất điện phân không đủ nên khả năng tản nhiệt của chính nó cũng giảm đi (chất điện phân còn có chức năng tản nhiệt nhất định, dẫn nhiệt do các điện cực sinh ra tới vỏ pin).

• Phản ứng bất thường Sinh nhiệt

Chất điện phân không đủ gây ra sự mất ổn định trong màng giao diện điện cực, khiến nó dễ xảy ra phản ứng phụ. Điều này biểu hiện bằng sự gia tăng đáng kể nhiệt độ vỏ pin trong quá trình sạc và xả (nhiệt độ sạc và xả bình thường thường là 20-45 độ nhưng pin điện phân không đủ có thể tăng trên 50 độ), đặc biệt dễ nhận thấy trong khi sạc, thậm chí đôi khi trở nên "nóng khi chạm vào". Nếu pin đang sạc và xả tốc độ cao, quá trình sinh nhiệt sẽ tăng cường hơn nữa, có khả năng vượt quá nhiệt độ phân hủy chất điện phân (thường trên 60 độ), đẩy nhanh quá trình phân hủy chất điện phân và lão hóa điện cực, tạo ra mối nguy hiểm an toàn tiềm ẩn cho những hỏng hóc tiếp theo. Hơn nữa, việc sinh nhiệt kéo dài có thể dẫn đến biến dạng vỏ pin và lão hóa chất bịt kín, có khả năng gây rò rỉ chất điện phân và khiến tình trạng của pin ngày càng xấu đi.

ACEY-BCT506-512Hthiết bị kiểm tra xả sạc pinsử dụng các thiết bị giám sát và điều khiển điện tử hiện đại thay vì làm việc thủ công để giám sát-điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng, trạng thái hình thành và các thông số khác của quá trình hình thành pin phân tán trong thời gian thực, chẩn đoán và xử lý lỗi, ghi lại và phân tích dữ liệu liên quan để thực hiện xử lý hàng loạt và không cần giám sát trong quá trình hình thành, Phần mềm điều khiển máy tính để giám sát và bảo trì thiết bị tập trung.

Đây là tác động tiêu cực nghiêm trọng nhất của việc không đủ chất điện phân, ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của pin và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến lỗi-của pin có chất điện phân thấp. Nguyên nhân cốt lõi của việc mạ lithium là: chất điện phân không đủ dẫn đến điện cực âm bị ướt cục bộ kém, dẫn đến sự hình thành màng SEI không đồng đều. Các ion lithium không thể nhúng đúng cách giữa các lớp than chì và chỉ có thể lắng đọng lithium kim loại trên bề mặt điện cực âm (tức là "mạ lithium"), gây ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực dương và âm bên trong pin, gây ra đoản mạch bên trong.

Đoản mạch bên trong tạo ra một lượng nhiệt lớn ngay lập tức, khiến nhiệt độ của pin tăng mạnh (tức thời vượt quá 100 độ), dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt. Nhiệt độ cao khiến chất điện phân phân hủy mạnh, tạo ra lượng lớn khí dễ cháy nổ (như CO, CH4). Áp suất bên trong pin tăng mạnh, cuối cùng khiến vỏ pin bị vỡ và rò rỉ. Nếu khí tiếp xúc với không khí hoặc nếu nhiệt độ bên trong đạt đến điểm bắt lửa của vật liệu điện phân hoặc điện cực, nó có thể bốc cháy hoặc thậm chí phát nổ. Hơn nữa, ngay cả khi không có hiện tượng đoản mạch bên trong, lithium kim loại lắng đọng sẽ phản ứng với chất điện phân, tiêu thụ cả chất điện phân và ion lithium, làm tăng thêm sự suy giảm hiệu suất của pin và gây nguy hiểm về an toàn. Khi tháo pin không đủ chất điện phân nghiêm trọng, thậm chí có thể quan sát trực tiếp cặn lithium kim loại trên bề mặt điện cực âm và dễ bị bốc cháy.

Chất điện phân trong pin lithium không đủ không phải là một "khiếm khuyết nhỏ" mà là nguyên nhân gây ra những hư hỏng không thể khắc phục cho pin từ trong ra ngoài, ảnh hưởng đến hiệu suất, tuổi thọ và độ an toàn. Tác động của nó thể hiện đặc tính "phản ứng dây chuyền": không đủ chất điện phân → làm ướt không đủ → cản trở vận chuyển ion lithium → tăng điện trở trong → tăng sinh nhiệt → phân hủy chất điện phân → làm chất điện phân không đủ → lắng đọng lithium → đoản mạch bên trong → cháy nổ. Trong thực tế sản xuất và sử dụng, lượng chất điện phân sử dụng phải được kiểm soát chặt chẽ, thường được tính toán chính xác dựa trên các thông số như độ xốp của điện cực và thể tích pin để tránh vấn đề không đủ chất điện phân.

Nếu pin có biểu hiện giảm phạm vi hoạt động đáng kể (giảm công suất vượt quá 20%), nóng lên bất thường trong quá trình sạc và xả, điện áp sạc quá cao, điện áp phóng điện quá thấp hoặc công suất giảm mạnh trong quá trình đạp xe, điều đó có thể cho thấy chất điện phân không đủ. Kiểm tra và bảo trì kịp thời là rất quan trọng để ngăn ngừa hư hỏng pin hoặc sự cố an toàn thêm. Đối với các bộ pin lớn như pin điện và pin dự trữ năng lượng, việc chất điện phân không đủ cũng có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn bộ hệ thống, cần được chú ý và phòng ngừa tập trung.

Liên hệ ngay