Redenen voor zelfontlading in lithium-ionbatterijen

Zelfontlading in lithium-ionbatterijen verwijst naar het fenomeen waarbij de lading/spanning van de batterij op natuurlijke wijze afneemt wanneer deze is losgekoppeld van een extern circuit (d.w.z. in een open circuit). Dit is een inherent kenmerk van alle batterijen, hoewel de mate ervan varieert. Lithium-ionbatterijen vertonen een relatief lage zelfontlading, maar hebben er toch last van. De belangrijkste oorzaken kunnen als volgt worden gecategoriseerd:

1. Onvermijdelijke chemische nevenreacties (normale zelfontlading)

(1) Groei en ontbinding van de SEI-laag:

De anode (meestal grafiet) is bedekt met een Solid Electrolyte Interphase (SEI)-laag die tijdens het eerste laden/ontladen wordt gevormd, wat essentieel is voor de werking van de batterij. De SEI-laag is echter niet perfect stabiel. Tijdens opslag, vooral bij hoge temperaturen, ondergaat de laag een langzame oplossing en reformatie. Deze reformatie verbruikt lithiumionen en elektrolyt, wat leidt tot capaciteitsverlies en spanningsval – een belangrijke factor bij zelfontlading.

(2) Elektrolytoxidatie/-reductie:

Materialen met geladen kathodes (bijv. LiCoO₂, NCM, LiFePO₄) zijn sterk oxidatief. Elektrolytoplosmiddelen (bijv. EC, DMC) en additieven ontbinden geleidelijk door oxidatie bij langdurig contact met de hoogpotentiaalkathode. Ook aan de anode kunnen, ondanks SEI-bescherming, lichte reductiereacties van de elektrolyt optreden. Deze parasitaire reacties putten actieve lithiumionen uit, wat leidt tot capaciteitsverlies.

(3) Onzuiverheidsreacties:

Sporen van verontreinigingen (bijvoorbeeld Fe-, Cu-, Zn-ionen) in elektrodematerialen of stroomcollectoren kunnen microsluitingen veroorzaken of deelnemen aan nevenreacties, waarbij lading wordt verbruikt.

2. Interne microkortsluitingen (veroorzaakt door productiefouten of veroudering)

(1) Scheidingsdefecten:

Microscopisch kleine gaatjes, onzuiverheden of zwakke plekken in de separator kunnen na een cyclus of langdurige opslag elektronische geleiding (micro-kortsluitingen) tussen elektroden veroorzaken, waardoor er direct lading weglekt. Dit is een belangrijke oorzaak van een abnormaal hoge zelfontlading. Terwijl separatoren elektronen macroscopisch blokkeren, kunnen er microscopisch kleine elektronenlekpaden ontstaan via geleidende netwerken of elektrolyt.

(2) Penetratie van dendrieten:

Lithiumdendrieten kunnen zich ongelijkmatig op de anode vormen als gevolg van overladen, laden bij lage temperaturen of veroudering. Scherpe dendrieten kunnen de separator binnendringen, elektroden overbruggen en interne kortsluiting veroorzaken.

(3) Verontreiniging door metaalstof:

Resterend metaalstof (bijvoorbeeld afkomstig van het snijden van elektroden) dat tussen elektroden of separatoren vastzit, kan microkortsluitingen veroorzaken. Hoewel absoluut stofvrije omstandigheden onbereikbaar zijn, heeft een beetje stof een verwaarloosbare impact. Stof dat de drempelwaarde overschrijdt om de separator te doorboren, versnelt de zelfontlading echter aanzienlijk. Voor hoogwaardige separatoroplossingen kunt u onze Apparatuur voor de productielijn van batterijen .

3. Temperatuureffecten

Temperatuur is een kritische factor. Hogere temperaturen versnellen exponentieel alle zelfontladingsreacties (SEI-ontwikkeling, elektrolytafbraak, reacties met onzuiverheden). Batterijen moeten daarom bij lage temperaturen (vermijd bevriezing) worden bewaard voor langdurige opslag.

4. Gevolgen van zelfontlading

• Capaciteitsverlies: verminderde bruikbare capaciteit.

• Spanningsval: Afname van de open-circuitspanning (OCV) in de loop van de tijd.

• Versnelde veroudering: Nevenreacties (bijv. SEI-groei) verbruiken actief lithium/elektrolyt, waardoor de veroudering wordt versneld.

• Uitdagingen bij het schatten van de SOC: zelfontlading bemoeilijkt een nauwkeurige schatting van de laadtoestand (SOC) via spanning.

• Veiligheidsrisico's: Ernstige microkortsluitingen kunnen plaatselijke verhitting of thermische runaway veroorzaken.

5. Mitigatiestrategieën

(1) Optimaliseer ontwerp en materialen:

Verbeter de SEI-stabiliteit, ontwikkel oxidatiebestendige elektrolyten, gebruik materialen met een hoge zuiverheidsgraad en verbeter de kwaliteit van de separator. Ontdek onze op maat gemaakte batterijapparatuur voor oplossingen op maat.

(2) Controleer de opslagomstandigheden:

• Temperatuur: Bewaren bij 10°C–25°C (vermijd <0°C).

• SOC: Handhaaf een SOC van 40%–60% voor langdurige opslag. Volledige lading versnelt de oxidatie van de elektrolyt; diepe ontlading kan leiden tot anodeschade.

(3) Periodiek opladen:

Bij inactieve accu's moet u de spanning/SOC in de gaten houden en bij een lage spanning de accu opladen tot ~50% om diepe ontlading te voorkomen.

(4) Strikte productiecontrole:

Minimaliseer onzuiverheden/metaalstof en zorg voor de integriteit van de afscheider. Onze Batterijmateriaalvoorziening biedt materialen met een hoge zuiverheidsgraad om de risico's op besmetting te verkleinen.

Conclusie