Hvad er mekanismen for nedbrydning af batterikapacitet?
Ændring i materialestruktur
De i øjeblikket mest udbredte katodematerialer omfatter hovedsageligt den hexagonale lagdelte struktur af LiMO2 (hvor M=Co, Ni, Mn), spinelstrukturen af LiMn2O4 og olivinstrukturen af LiFePO4. Uanset strukturen, når lithiumioner deinterkalerer fra katoden, for at opretholde den elektriske tilstand i materialet, oxideres metalelementet uundgåeligt til en højere valenstilstand, som er ledsaget af en faseovergangsproces. Faseovergange fører ofte til faseskift, så da lithium-ioner kontinuerligt interkalerer og deinterkalerer i materialet, fortsætter faseændringen, og på sigt vil det udgøre en trussel mod krystalstabiliteten. Sammenlignet med anoden har den ulige reversible kapacitet forårsaget af faseskift og ændringer i katodematerialets bulkstruktur en betydelig indvirkning på batteriets levetid. Grafit har en lagdelt struktur. Når det er flere lag tykt, interkalerer lithiumioner ind i mellemlagene under batteriopladning og kombineres med elektroner, der transporteres fra det eksterne kredsløb for at danne lithieret grafit, og mellemlagets afstand øges på dette tidspunkt; under afladning forlader lithiumioner grafitmellemlagene og frigiver elektroner til det ydre kredsløb og gennemgår en deinterkalerings- og oxidationsreaktion, og mellemlagets afstand falder på dette tidspunkt.
Opløsning af aktivt materiale
Opløsningen af katodemateriale refererer til den proces, hvor det aktive materiale gradvist aftager på grund af korrosion i elektrolytten. Opløsningen af katodemateriale ved høje temperaturer er en af årsagerne til batterikapacitetsfald, især med en større indvirkning på cyklusydelsen og lagringsydelsen af batterier ved høje temperaturer. Opløsningen af overgangsmetaller under visse betingelser er et problem, der findes i alle LiMO2 katodematerialer. Hovedårsagerne til, at opløsning af aktivt materiale fører til forringelse af batteriets ydeevne er: $\\textcircled{1}$ Opløsningen af metalelementer fører direkte til reduktion af aktivt materiale, hvilket forårsager tab af batterikapacitet; $\\textcircled{2}$ Opløsningen af katodemateriale forårsager nedbrydning af materialestrukturen og dannelse af kemisk inaktive stoffer på overfladen af partiklerne, hvilket hindrer transporten af lithiumioner i elektrodematerialet; $\\textcircled{3}$ De solvatiserede metalioner indeholdt i elektrolytten migrerer til anoden i elektrolytten og aflejrer sig på anodeoverfladen i form af metal eller salt under lavt potentiale, og disse aflejringer påvirker uundgåeligt stabiliteten og tykkelsen af SEI-filmen på anodeoverfladen, hvilket fører til øget elektrodeoverfladepolarisering og øget batteri intern modstand. Derfor kommer virkningen af opløsning af aktivt materiale på elektrolytten ikke kun fra opløsning, men også fra mere ugunstige virkninger forårsaget af opløsning af overgangsmetaller.
Forbrug af lithiumioner
I designet af lithium-ionbatterier er batteriets kapacitet generelt lidt større end katodens, og de genanvendelige lithiumioner leveres også af katoden. Derfor bestemmer den reversible interkalation og deintercalation af lithium-ioner mellem katoden og anoden batterikapaciteten. Under den første opladnings- og afladningsproces dannes en SEI-film på anodeoverfladen. Hovedkomponenterne i denne passiveringsfilm er forskellige uorganiske stoffer såsom Li2CO3, LiF, Li2O, LiOH og forskellige organiske komponenter såsom ROCO2Li, ROLi og (ROCO2)2Li. Der forbruges således nogle lithiumioner, og dette kapacitetstab er irreversibelt. Anodens ydeevne er stærkt relateret til SEI-filmens morfologi og stabilitet, og evnen til at danne en stabil SEI-film på anodeoverfladen har en ikke-ubetydelig indvirkning på batteriets ydeevne. Dannelsen af SEI-filmen forbruger de begrænsede lithium-ioner i batteriet. Hvis SEI-filmen kontinuerligt beskadiges under cyklussen, vil oxidationsreaktionen ved anode/elektrolyt-grænsefladen løbende forekomme for at danne en ny SEI-film. Denne proces forbruger de begrænsede lithiumioner, der leveres af katoden i systemet, og reduktionen af aktive lithiumioner fører til kapacitetsforfald. Reduktionen af lithiumioner i elektrolytten fører til et fald i elektrolyttens ledningsevne, og tabet af lithiumioner i katodematerialet forårsager en ubalance mellem batteriets to elektroder.
Stigning i indre modstand
Under den langsigtede-cykling af batteriet er stigningen i intern modstand også en vigtig årsag til kapacitetsfald. Der er mange årsager til stigningen i den indre modstand, hovedsageligt ud fra to aspekter: $\\textcircled{1}$ Oxidationsreaktionen, der forekommer ved elektrode/elektrolyt-grænsefladen i elektrolytten, fører til en stigning i overfladefilmmodstanden af elektroden, og ustabiliteten af anode SEI-filmen, der kontinuerligt danner nye overfladefilm under den interne polariseringscyklus, osv. $\\textcircled{2}$ Opløsningen af metalioner i katoden i elektrolytten, og de opløste ioniserede metalioner migrerer til anoden gennem elektrolytten og aflejres på anodeoverfladen i form af metal eller salt, hvilket resulterer i øget elektrodepolarisering. Derudover har forskning også bevist, at korrosion af strømaftageren også kan føre til en stigning i indre modstand, men denne effekt er relativt lille under forudsætningen af forbehandling af strømaftageren. Stigningen i intern modstand fører til et fald i energitæthed og kapacitet, især for anoden, reaktionen, der forekommer ved elektrode/elektrolyt-grænsefladen, er hovedårsagen til anodeældning.
