I. Introduktion
Litiumbatterier, som en viktig energilagringsanordning, har använts allmänt i det moderna samhället, såsom i elektriska fordon och bärbara elektroniska enheter. Litiumbatterier kan emellertid uppleva kortkretsar under användning, vilket inte bara påverkar batteriets prestanda utan också kan utlösa allvarliga säkerhetsproblem, såsom bränder och explosioner. Internt motstånd är en av de viktigaste indikatorerna för att mäta litiumbatteriets prestanda. En ökning av internt motstånd leder till en minskning av batteriutsläppskapaciteten, en minskning av kapacitet och en förkortad livslängd. Därför har att studera orsakerna till internt motståndsökning i litiumbatterier under kortkretsar viktig teoretisk och praktisk betydelse.
Ii. Komposition av internt motstånd för litiumbatteri
Det inre motståndet hos ett litiumbatteri består huvudsakligen av ohmiskt resistens och polarisationsresistens. Ohmisk resistens inkluderar själva elektrodernas resistens, resistensen hos elektrolytlösningen, motståndet som möter av joner som passerar genom separatorns mikropor och kontaktmotståndet mellan de positiva\/negativa elektroderna och separatorn. Polarisationsresistens är den ledande resistensen som bildas på grund av elektrodpolarisering under batteriladdning och urladdning, inklusive elektrokemisk polarisering och koncentrationspolarisering. Elektrokemisk polarisering orsakas av tröghet i elektrodreaktioner, medan koncentrationspolarisering orsakas av förändringar i jonkoncentration nära elektrodytan.
Iii. Analys av orsakerna till internt motstånd ökar litiumbatterierna under kortkretsar
(I) grundläggande orsaker på materialnivå
1. Uttagning av positiva och negativa aktiva material
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). Tillväxten av litium -dendriter kan punktera separatorn och orsaka en batteri kortslutning, medan en alltför tjock SEI -film kan hindra litiumjonmigration och öka inre motstånd för batteriet.
2. Elektrolyt åldrande och gränssnittsproblem
Elektrolytnedbrytningsprodukter (såsom Lif, Li₂co₃) ackumuleras på elektrodytan och bildar ett högimpedansgränssnittsskikt. Under högtemperatur eller överladdningsförhållanden ökar elektrolytviskositeten och litiumjontransporteffektiviteten minskar. Till exempel, när ett batteri är i en högtemperaturmiljö ökar elektrolytens viskositet, och migrationshastigheten för litiumjoner bromsar, vilket leder till en ökning av batteriets internt motstånd.
3. Förvånande samlare och flikförstöring
Oxidation eller korrosion av aluminium\/kopparfolie leder till en ökning av kontaktmotståndet (vanligt i miljöer med hög fuktighet). Virtuell svetsning av fliksvetsningspunkter eller materialtrötthet (såsom under vibrationsförhållanden) får lokalt motstånd att multiplicera. Under batterianvändningen kan den nuvarande samlaren och flikarna genomgå oxidation eller korrosion på grund av miljöfaktorer, vilket leder till en ökning av kontaktmotståndet. Samtidigt kan virtuell svetsning av fliksvetspunkter eller materiell trötthet också öka lokalt motstånd.
(Ii) Superpositionseffekt av processfel
1.Uneven beläggning av elektrodark
Fluktuationer i arealtäthet (± 5% eller mer) leder till ojämn strömfördelning och en signifikant ökning av lokal polarisationsresistens. Om beläggningen av elektrodark är ojämn, kommer det att resultera i ojämn strömfördelning inuti batteriet, med vissa områden som har alltför höga strömtätheter, vilket orsakar en ökning av den lokala polarisationsresistensen.
2.Fel i staplings-\/lindningsprocesser
Misjustering av elektrodark leder till kanten Burr-kontakt, vilket ökar risken för mikro-kortkretsar och ytterligare impedans. Under batteritillverkning, om det finns fel i staplings- eller lindningsprocessen, kan det orsaka feljustering av elektrodark, vilket leder till kant Burr-kontakt, vilket ökar risken för mikro-kortkretsar och ytterligare impedans.
3.Otillräcklig elektrolytinjektion och vätning
Elektrolyten penetrerar inte helt separatorporerna (vätningsgrad <90%), vilket blockerar jonkanaler. Om elektrolyten inte helt tränger in i separatorporerna kommer den att blockera jonkanaler, bromsa migrationshastigheten för litiumjoner och öka inre motstånd för batteriet.
(Iii) Påverkan av användningsmiljö och driftsförhållanden
1.Lågtemperaturmiljö
Den joniska ledningsförmågan hos elektrolyten minskar med mer än 50%, och både ohmisk resistens och polarisationsresistens ökar. I en miljö med låg temperatur minskar den joniska konduktiviteten hos elektrolyten avsevärt, vilket leder till en ökning av batteriets ohmiska motstånd och polarisationsresistens.
2.Högklassig laddning och urladdning
Koncentrationspolarisering intensifieras, spänningsplattformen kollapsar och effektiv internt motstånd ökar med 20% - 40%. När ett batteri genomgår högklassig laddning och urladdning förändras jonkoncentrationen nära elektrodytan snabbt, vilket leder till intensifierad koncentrationspolarisering och en ökning av batteriets effektiv inre motstånd.
3.Långvarig åldrande
Kumulativa effekter såsom aktiv litiumförlust och en minskning av elektrodporositeten leder till en årlig intern resistenstillväxt som överstiger 5%. Under den långsiktiga cykelanvändningen av ett batteri tappar aktivt litium gradvis och elektrodporositeten minskar också. Dessa kumulativa effekter leder till en årlig intern motståndstillväxt som överstiger 5%.
(Iv) Lokal överhettning och strukturella skador orsakade av kortkretsar
1. Lokal överhettning
Den stora strömmen som genereras under en kortslutning leder till en kraftig ökning av den lokala temperaturen inuti batteriet. Höga temperaturer påskyndar nedbrytningen av batteriets inre material, såsom elektrolytnedbrytning och förändringar i elektrodmaterialstrukturen, vilket ytterligare ökar internt motstånd. Till exempel, när ett batteri upplever en kortslutning, genererar kortslutningsplatsen en stor mängd värme, vilket får lokal temperatur att stiga och elektrolytnedbrytning, bildar ett högimpedansgränssnittsskikt och ökar internt motstånd.
2. Strukturell skada
Den enorma strömmen och värmen som genereras under en kortslutning kan leda till strukturella skador inuti batteriet, såsom separatorsmältning och elektrodmaterialdeformation. Dessa strukturella skador påverkar direkt jon- och elektrontransportkanalerna i batteriet, vilket leder till en betydande ökning av internt motstånd. Exempelvis kan den höga temperaturen som genereras under en kortslutning smälta separatorn, orsaka direkt kontakt mellan de positiva och negativa elektroderna, bilda en större kortslutningsström och också skada strukturen för elektrodmaterialet, öka batteriets internt motstånd.
Iv. Slutsats
Orsakerna till interna resistensökningar i litiumbatterier under kortkretsar är mångfacetterade, inklusive grundläggande orsaker på materialnivå, superpositionseffekten av processdefekter, påverkan av användningsmiljö och driftsförhållanden och lokal överhettning och strukturella skador orsakade av korta kretsar. Dessa faktorer interagerar med varandra, vilket kollektivt leder till en ökning av internt motstånd i litiumbatterier under kortkretsar. Att förstå dessa orsaker är av stor betydelse för design, tillverkning, användning och underhåll av litiumbatterier. I batteridesignstadiet bör lämpliga material väljas och processparametrar optimeras för att minska internt motstånd för batteri. Under batterianvändningen bör batteriet hållas borta från hårda användningsmiljöer, såsom höga temperaturer, låga temperaturer och hög luftfuktighet, och batteriets laddnings- och urladdningshastighet bör rimligen kontrolleras för att förlänga batteritidens livslängd och säkerställa batterisäkerhet. Samtidigt, för batterier som redan har upplevt en kortslutning, bör snabb behandling genomföras för att undvika att utlösa allvarligare säkerhetsproblem. Framtida forskning bör ytterligare fördjupa mekanismen för internt motståndsökning i litiumbatterier under kortkretsar och utveckla effektivare batterihanterings- och skyddstekniker för att förbättra litiumbatteriets prestanda och säkerhet.