Cause dell’Invecchiamento delle Batterie al Litio-Ioni

Il processo di invecchiamento delle batterie al litio-ioni è influenzato da vari fattori, tra cui i metodi di assemblaggio, la temperatura ambiente, i tassi di carica e scarica e la profondità della scarica. La degradazione della capacità e delle prestazioni è il risultato di molteplici reazioni secondarie, regolate da complessi meccanismi fisici e chimici.

Influenza dell’Invecchiamento delle Batterie al Litio

L’invecchiamento delle batterie al litio-ioni influisce significativamente sulle prestazioni complessive, con evidenti riduzioni dell’efficienza di carica e scarica, della capacità disponibile e della stabilità termica alterata. Dopo l’invecchiamento, le batterie al litio-ioni mostrano una capacità disponibile ridotta e una resistenza interna aumentata.

Questi effetti portano a una capacità di carica e scarica pratica ridotta, anche nelle batterie ricaricabili di alta qualità. L’aumento della resistenza interna genera una maggiore produzione di calore, temperature più elevate all’interno del modulo della batteria e maggiori disomogeneità termiche, richiedendo sistemi di gestione termica migliorati per le batterie al litio-ioni.

I tassi di invecchiamento variabili delle singole celle all’interno di un pacco batterie, dovuti alle differenze nelle condizioni d’uso, peggiorano l’incoerenza del pacco batterie al litio-ioni. Inoltre, l’invecchiamento delle batterie al litio-ioni altera la curva di tensione a circuito aperto, influenzando il sistema di gestione della batteria durante le applicazioni reali. L’invecchiamento riduce anche il tasso massimo di carica-scarica disponibile, richiedendo aggiustamenti adattivi da parte del sistema di gestione della batteria per evitare sovraccarichi e sovrascariche, migliorando la sicurezza d’uso.

Influenza della Precipitazione del Litio sulla Degradazione della Capacità della Batteria

La precipitazione del litio, che si riferisce al deposito del litio dall’elettrolita sulla superficie dell’elettrodo, è un fattore di invecchiamento cruciale nelle batterie al litio-ioni che influisce significativamente sulla sicurezza della batteria e sulla capacità disponibile. Il litio precipitato comporta una perdita irreversibile di ioni di litio e una capacità disponibile ridotta.

Diversi fattori influenzano la precipitazione del litio, tra cui l’incorporazione lenta degli ioni di litio nell’anodo in grafite, il trasferimento rapido degli ioni di litio all’anodo, il funzionamento a basse temperature, la vicinanza del potenziale dell’anodo alla soglia di precipitazione del litio e un rapporto N/P inadeguato.

Inoltre, le batterie con difetti interni sono più suscettibili alla precipitazione del litio sull’elettrodo. Studi e test sulle batterie rivelano che la precipitazione del litio si accelera nelle fasi finali dell’invecchiamento, diventando una ragione primaria della deterioramento della capacità.

Man mano che la batteria invecchia, la formazione dei film SEI riduce la porosità dell’anodo, aumentando il gradiente di potenziale dell’elettrolito. Questo calo del potenziale dell’anodo durante la ricarica favorisce la precipitazione del litio, accelerando ulteriormente l’invecchiamento della batteria. Durante la scarica, il litio dendritico può sciogliersi, ma questo materiale non può partecipare alle reazioni dell’elettrodo durante il processo di carica e scarica, contribuendo alla perdita di ioni di litio attivi.

Influenza della Crescita del Film SEI sulla Degradazione della Capacità

Il film dell’Interfaccia Elettrolita Solido (SEI), che si forma sulla superficie dell’anodo, è un film di passivazione che separa l’elettrolita dall’anodo. Ha conduttività ionica ma ostacola il passaggio degli elettroni, causando una perdita irreversibile di capacità. Il film SEI è un fattore chiave nella perdita di litio attivo nelle batterie in condizioni di funzionamento normali. 

Il film SEI è composto principalmente da composti inorganici come Li2CO3, LiF, Li2O e composti organici come ROCO2Li, ROLi e RCOO2Li. In alcuni casi, il film SEI può avere uno spessore superiore a 100 nm. I processi di carica e scarica comportano il movimento ripetuto degli ioni di litio tra il catodo e l’anodo. 

Durante la carica, gli ioni di litio attivi dal catodo passano attraverso il separatore fino all’anodo. Poiché il potenziale dell’anodo è generalmente inferiore a quello dell’elettrolita, si forma un film SEI sulla sua superficie. 

Questo film è una delle principali cause dell’invecchiamento a temperature elevate e alti livelli di carica. Anche se il film SEI può ridurre la capacità e la resistenza interna della batteria, un film stabile migliora l’interfaccia del materiale dell’elettrodo e la ciclabilità della batteria. Esso si compone di uno strato iniziale e di uno strato a lungo termine. 

La composizione precisa del film SEI è difficile da analizzare, ma la sua crescita, rottura e rigenerazione sono legate alla degradazione della capacità della batteria. Durante l’uso, il film SEI si compatta a causa dell’espansione e della rottura dell’elettrodo. Durante le scariche rapide, il film SEI può rompersi, ma si ripara nei cicli successivi. 

Tuttavia, le rotture parziali possono ridurre la capacità della batteria. L’uso di tecniche di formazione attenta e di ambienti a basse temperature può contribuire a un film SEI più denso, prolungando la vita della batteria.

Desideri saperne di più su ‘Sistemi di Accumulo con Batterie Solari: Applicazioni e Vantaggi‘? Si prega di leggere l’articolo.