Çfarë është mekanizmi i degradimit të kapacitetit të baterisë?
Ndryshimi në strukturën e materialit
Materialet katodike më të përdorura aktualisht përfshijnë kryesisht strukturën me shtresa gjashtëkëndore të LiMO2 (ku M=Co, Ni, Mn), strukturën spineli të LiMn2O4 dhe strukturën e olivinës së LiFePO4. Pavarësisht nga struktura, kur jonet e litiumit depërkasin nga katoda, për të ruajtur gjendjen elektrike në material, elementi metalik oksidohet në mënyrë të pashmangshme në një gjendje valence më të lartë, e cila shoqërohet me një proces kalimi fazor. Tranzicionet fazore shpesh çojnë në ndërrime fazore, kështu që ndërsa jonet e litiumit ndërthuren dhe depërkasin vazhdimisht në material, ndryshimi i fazës vazhdon dhe në planin afatgjatë do të përbëjë një kërcënim për stabilitetin e kristalit. Krahasuar me anodën, kapaciteti i pabarabartë i kthyeshëm i shkaktuar nga zhvendosjet fazore dhe ndryshimet në strukturën e pjesës më të madhe të materialit katodë ka një ndikim të rëndësishëm në jetëgjatësinë e baterisë. Grafiti ka një strukturë të shtresuar. Kur është disa shtresa të trasha, jonet e litiumit ndërthuren në shtresat e ndërmjetme gjatë karikimit të baterisë dhe kombinohen me elektronet e transportuara nga qarku i jashtëm për të formuar grafit të litiuar, dhe distanca ndërmjet shtresave rritet në këtë kohë; gjatë shkarkimit, jonet e litiumit lënë ndërshtresat e grafitit dhe lëshojnë elektrone në qarkun e jashtëm, duke pësuar një reaksion deinterkalimi dhe oksidimi, dhe distanca ndërmjet shtresave zvogëlohet në këtë kohë.
Shpërbërja e Materialit Aktiv
Shpërbërja e materialit katodë i referohet procesit ku materiali aktiv zvogëlohet gradualisht për shkak të korrozionit në elektrolit. Shpërbërja e materialit katodë në temperatura të larta është një nga arsyet e zvogëlimit të kapacitetit të baterisë, veçanërisht duke pasur një ndikim më të madh në performancën e ciklit dhe performancën e ruajtjes së baterive në temperatura të larta. Shpërbërja e metaleve kalimtare në kushte të caktuara është një problem që ekziston në të gjitha materialet katodë LiMO2. Arsyet kryesore pse shpërbërja e materialit aktiv çon në përkeqësimin e performancës së baterisë janë: $\\textcircled{1}$ Shpërbërja e elementeve metalike çon drejtpërdrejt në reduktimin e materialit aktiv, duke shkaktuar humbje të kapacitetit të baterisë; $\\textcircled{2}$ Shpërbërja e materialit katodë shkakton degradimin e strukturës së materialit dhe formimin e substancave kimikisht joaktive në sipërfaqen e grimcave, gjë që pengon transportin e joneve të litiumit në materialin elektrodë; $\\textcircled{3}$ Jonet e metalit të tretur që përmbahen në elektrolit migrojnë në anodë në elektrolit dhe depozitohen në sipërfaqen e anodës në formën e metalit ose kripës nën potencial të ulët, dhe këto depozita në mënyrë të pashmangshme ndikojnë në stabilitetin dhe trashësinë e filmit SEI në sipërfaqen e anodës, duke çuar në rritjen e polarizimit të sipërfaqes së elektrodës dhe rritjen e rezistencës së brendshme të baterisë. Prandaj, efekti i shpërbërjes së materialit aktiv në elektrolit nuk vjen vetëm nga shpërbërja, por edhe nga efektet më negative të shkaktuara nga shpërbërja e metaleve në tranzicion.
Konsumi i joneve të litiumit
Në projektimin e baterive të litium-joneve, kapaciteti i baterisë në përgjithësi është pak më i madh se ai i katodës, dhe jonet e riciklueshme të litiumit sigurohen gjithashtu nga katoda. Prandaj, ndërthurja e kthyeshme dhe deinterkalimi i joneve të litiumit midis katodës dhe anodës përcaktojnë kapacitetin e baterisë. Gjatë procesit të parë të ngarkimit dhe shkarkimit, një film SEI formohet në sipërfaqen e anodës. Përbërësit kryesorë të këtij filmi pasivizues janë substanca të ndryshme inorganike si Li2CO3, LiF, Li2O, LiOH dhe përbërës të ndryshëm organikë si ROCO2Li, ROLi dhe (ROCO2)2Li. Kështu, disa jone litiumi konsumohen dhe kjo humbje e kapacitetit është e pakthyeshme. Performanca e anodës lidhet shumë me morfologjinë dhe qëndrueshmërinë e filmit SEI dhe aftësia për të formuar një film të qëndrueshëm SEI në sipërfaqen e anodës ka një ndikim jo{12}}të papërfillshëm në performancën e baterisë. Formimi i filmit SEI konsumon jonet e kufizuara të litiumit në bateri. Nëse filmi SEI dëmtohet vazhdimisht gjatë ciklit, atëherë reaksioni i oksidimit në ndërfaqen anodë/elektrolit do të ndodhë vazhdimisht për të formuar një film të ri SEI. Ky proces konsumon jonet e kufizuara të litiumit të siguruara nga katoda në sistem, dhe reduktimi i joneve aktive të litiumit çon në prishjen e kapacitetit. Reduktimi i joneve të litiumit në elektrolit çon në një ulje të përçueshmërisë së elektrolitit, dhe humbja e joneve të litiumit në materialin e katodës shkakton një çekuilibër midis dy elektrodave të baterisë.
Rritja e rezistencës së brendshme
Gjatë ciklit afatgjatë të baterisë-, rritja e rezistencës së brendshme është gjithashtu një arsye e rëndësishme për zvogëlimin e kapacitetit. Ka shumë arsye për rritjen e rezistencës së brendshme, kryesisht nga dy aspekte: $\\textcircled{1}$ Reaksioni i oksidimit që ndodh në ndërfaqen e elektrodës/elektrolitit në elektrolit çon në një rritje të rezistencës së filmit sipërfaqësor të elektrodës dhe paqëndrueshmërinë e filmit SEI të anodës, duke formuar vazhdimisht filma të rinj sipërfaqësor gjatë ciklit, duke rritur rezistencën e brendshme të baterisë, etj. $\\textcircled{2}$ Shpërndarja e joneve metalike në katodë në elektrolit, dhe jonet e metalit të jonizuar të tretur migrojnë në anodë përmes elektrolitit dhe depozitohen në sipërfaqen e anodës në formën e metalit ose kripës, duke rezultuar në rritjen e polarizimit të elektrodës. Përveç kësaj, hulumtimi ka vërtetuar gjithashtu se korrozioni i kolektorit aktual mund të çojë gjithashtu në një rritje të rezistencës së brendshme, por ky efekt është relativisht i vogël nën premisën e para-trajtimit të kolektorit aktual. Rritja e rezistencës së brendshme çon në një ulje të densitetit dhe kapacitetit të energjisë, veçanërisht për anodën, reagimi që ndodh në ndërfaqen e elektrodës/elektrolitit është arsyeja kryesore për plakjen e anodës.
