I. Introducción
Las baterías de litio, como un importante dispositivo de almacenamiento de energía, se han aplicado ampliamente en la sociedad moderna, como en vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles. Sin embargo, las baterías de litio pueden experimentar cortocircuitos durante el uso, lo que no solo afecta el rendimiento de la batería, sino que también puede desencadenar serios problemas de seguridad, como incendios y explosiones. La resistencia interna es uno de los indicadores clave para medir el rendimiento de la batería de litio. Un aumento en la resistencia interna conduce a una disminución en la capacidad de descarga de la batería, una reducción en la capacidad y una vida útil acortada. Por lo tanto, estudiar las causas del aumento de la resistencia interna en las baterías de litio durante los cortocircuitos tiene un importante significado teórico y práctico.
II. Composición de la batería de litio Resistencia interna
La resistencia interna de una batería de litio consiste principalmente en resistencia óhmica y resistencia a la polarización. La resistencia óhmica incluye la resistencia de los electrodos mismos, la resistencia de la solución de electrolitos, la resistencia encontrada por los iones que pasan a través de los microporos del separador y la resistencia de contacto entre los electrodos positivos\/negativos y el separador. La resistencia a la polarización es la resistencia conductora formada debido a la polarización del electrodo durante la carga y descarga de la batería, incluida la polarización electroquímica y la polarización de concentración. La polarización electroquímica es causada por la lentitud de las reacciones del electrodo, mientras que la polarización de la concentración es causada por cambios en la concentración de iones cerca de la superficie del electrodo.
Iii. Análisis de las causas del aumento de la resistencia interna en las baterías de litio durante los cortocircuitos
(I) causas raíz a nivel de material
1.degradación de materiales activos positivos y negativos
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 nm). El crecimiento de las dendritas de litio puede perforar el separador, causando un cortocircuito de la batería, mientras que una película SEI excesivamente gruesa puede obstaculizar la migración de iones de litio y aumentar la resistencia interna de la batería.
2. Problemas de envejecimiento y interfaz de electrolitos
Los productos de descomposición de electrolitos (como LIF, Li₂co₃) se acumulan en la superficie del electrodo, formando una capa de interfaz de alta impedancia. En condiciones de alta temperatura o sobrecarga, la viscosidad de los electrolitos aumenta y la eficiencia del transporte de iones de litio disminuye. Por ejemplo, cuando una batería está en un entorno de alta temperatura, la viscosidad del electrolito aumenta y la tasa de migración de iones de litio se ralentiza, lo que lleva a un aumento en la resistencia interna de la batería.
3. Degradación de colección y pestaña de corriente
La oxidación o la corrosión de la lámina de aluminio\/cobre conduce a un aumento en la resistencia al contacto (común en entornos de alta humedad). La soldadura virtual de los puntos de soldadura de pestaña o la fatiga del material (como en condiciones de vibración) hace que la resistencia local se multiplique. Durante el uso de la batería, el colector y las pestañas actuales pueden sufrir oxidación o corrosión debido a factores ambientales, lo que lleva a un aumento en la resistencia de contacto. Al mismo tiempo, la soldadura virtual de los puntos de soldadura de pestañas o la fatiga del material también puede aumentar la resistencia local.
(Ii) Efecto de superposición de los defectos del proceso
1. recubrimiento sindiente de hojas de electrodos
Las fluctuaciones en la densidad de área (± 5% o más) conducen a una distribución de corriente desigual y un aumento significativo en la resistencia a la polarización local. Si el recubrimiento de hojas de electrodos es desigual, dará como resultado una distribución de corriente desigual dentro de la batería, con ciertas áreas que tienen densidades de corriente excesivamente altas, lo que provoca un aumento en la resistencia de polarización local.
2.Errores en procesos de apilamiento\/devanado
La desalineación de las láminas de electrodos conduce al contacto de borde, aumentando el riesgo de circuitos microesos e impedancia adicional. Durante la fabricación de la batería, si hay errores en el proceso de apilamiento o devanado, puede causar desalineación de las láminas de electrodos, lo que lleva al contacto de borde, aumentando el riesgo de circuitos micro-cortos e impedancia adicional.
3.Inyección de electrolitos insuficiente y humectación
El electrolito no penetra completamente en los poros separadores (grado de humectación <90%), bloqueando los canales de iones. Si el electrolito no penetra completamente en los poros del separador, bloqueará los canales de iones, ralentizará la velocidad de migración de los iones de litio y aumentará la resistencia interna de la batería.
(Iii) Impacto del entorno de uso y las condiciones de funcionamiento
1.Entorno de baja temperatura
La conductividad iónica del electrolito disminuye en más del 50%, y aumentan tanto la resistencia óhmica como la resistencia a la polarización. En un entorno de baja temperatura, la conductividad iónica del electrolito disminuye significativamente, lo que lleva a un aumento en la resistencia óhmica de la batería y la resistencia a la polarización.
2.Carga y descarga de alta tarifa
La polarización de la concentración se intensifica, la plataforma de voltaje colapsa y la resistencia interna efectiva aumenta en un 20% - 40%. Cuando una batería se somete a una carga y descarga de alta tasa, la concentración de iones cerca de la superficie del electrodo cambia rápidamente, lo que lleva a una polarización de concentración intensificada y un aumento en la resistencia interna efectiva de la batería.
3.Envejecimiento de ciclismo a largo plazo
Los efectos acumulativos, como la pérdida activa de litio y una disminución en la porosidad de los electrodos, conducen a una tasa anual de crecimiento de resistencia interna que excede el 5%. Durante el uso de ciclismo a largo plazo de una batería, el litio activo se agota gradualmente y la porosidad del electrodo también disminuye. Estos efectos acumulativos conducen a una tasa de crecimiento anual de resistencia interna que excede el 5%.
(Iv) sobrecalentamiento local y daños estructurales causados por cortocircuitos
1. sobrecalentamiento local
La corriente grande generada durante un cortocircuito conduce a un fuerte aumento en la temperatura local dentro de la batería. Las altas temperaturas aceleran la degradación de los materiales internos de la batería, como la descomposición de electrolitos y los cambios en la estructura del material del electrodo, aumentando aún más la resistencia interna. Por ejemplo, cuando una batería experimenta un cortocircuito, la ubicación de cortocircuito genera una gran cantidad de calor, lo que hace que la temperatura local aumente y la descomposición de electrolitos, formando una capa de interfaz de alta impedancia y aumentando la resistencia interna de la batería.
2. Daño estructural
La enorme corriente y calor generados durante un cortocircuito pueden provocar daños estructurales dentro de la batería, como la fusión del separador y la deformación del material del electrodo. Estos daños estructurales afectan directamente los canales de transporte de iones y electrones de la batería, lo que lleva a un aumento significativo en la resistencia interna. Por ejemplo, la alta temperatura generada durante un cortocircuito puede derretir el separador, causando contacto directo entre los electrodos positivos y negativos, formando una corriente de cortocircuito más grande y también dañando la estructura de los materiales del electrodo, aumentando la resistencia interna de la batería.
IV. Conclusión
Las causas del aumento de la resistencia interna en las baterías de litio durante los cortocircuitos son multifacéticos, incluidas las causas raíz a nivel de material, el efecto de superposición de los defectos del proceso, el impacto del entorno de uso y las condiciones de operación, y el sobrecalentamiento local y el daño estructural causados por los cortos circuitos. Estos factores interactúan entre sí, lo que lleva colectivamente a un aumento en la resistencia interna en las baterías de litio durante los cortocircuitos. Comprender estas causas es de gran importancia para el diseño, la fabricación, el uso y el mantenimiento de las baterías de litio. En la etapa de diseño de la batería, se deben seleccionar materiales apropiados y los parámetros de proceso optimizados para reducir la resistencia interna de la batería. Durante el uso de la batería, la batería debe mantenerse alejada de los entornos de uso duros, como altas temperaturas, bajas temperaturas y alta humedad, y la velocidad de carga y descarga de la batería debe controlarse razonablemente para extender la vida útil de la batería y garantizar la seguridad de la batería. Al mismo tiempo, para las baterías que ya han experimentado un cortocircuito, se debe realizar un tratamiento oportuno para evitar desencadenar problemas de seguridad más graves. La investigación futura debería profundizar en el mecanismo de aumento de la resistencia interna en las baterías de litio durante los cortocircuitos y desarrollar tecnologías de manejo y protección de baterías más efectivas para mejorar el rendimiento y la seguridad de la batería de litio.