I. 소개
중요한 에너지 저장 장치로서 리튬 배터리는 전기 자동차 및 휴대용 전자 장치와 같은 현대 사회에서 널리 적용되었습니다. 그러나 리튬 배터리는 사용 중에 단락을 경험할 수 있으며, 이는 배터리 성능에 영향을 줄뿐만 아니라 화재 및 폭발과 같은 심각한 안전 문제를 유발할 수 있습니다. 내부 저항은 리튬 배터리 성능을 측정하기위한 주요 지표 중 하나입니다. 내부 저항이 증가하면 배터리 방전 용량의 감소, 용량 감소 및 서비스 수명이 단축됩니다. 따라서 단락 동안 리튬 배터리의 내부 저항 증가의 원인을 연구하는 것은 중요한 이론적이고 실질적인 의미를 갖습니다.
II. 리튬 배터리의 조성 내부 저항
리튬 배터리의 내부 저항은 주로 저항성 및 편광 저항으로 구성됩니다. OHMIC 저항은 전극 자체의 저항, 전해질 용액의 저항, 분리기의 미세 기공을 통과하는 이온에 의해 발생하는 저항 및 양성\/음성 전극과 분리기 사이의 접촉 저항을 포함한다. 편광 저항은 전기 화학 편광 및 농도 분극을 포함하여 배터리 충전 및 배출 동안 전극 분극으로 인해 형성된 전도성 저항이다. 전기 화학 분극은 전극 반응의 부진성에 의해 야기되는 반면, 농도 분극은 전극 표면 근처의 이온 농도의 변화에 의해 야기된다.
III. 단락 동안 리튬 배터리의 내부 저항 증가 원인 분석
(i) 재료 수준의 근본 원인
1. 양성 및 부정적인 활성 물질의 조절
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). 리튬 수상 돌기의 성장은 분리기를 뚫어 배터리 단락을 유발할 수 있으며, 과도하게 두꺼운 SEI 필름은 리튬 이온 이동을 방해하고 배터리 내부 저항을 증가시킬 수 있습니다.
2. 전해질 노화 및 인터페이스 문제
전해질 분해 생성물 (LIF, Li로 코스 등)은 전극 표면에 축적되어 고 임피던스 인터페이스 층을 형성합니다. 고온 또는 과하의 조건 하에서 전해질 점도가 증가하고 리튬 이온 수송 효율이 감소합니다. 예를 들어, 배터리가 고온 환경에있을 때 전해질의 점도가 증가하고 리튬 이온의 이동 속도가 느려져 배터리 내부 저항이 증가합니다.
3. 전류 수집기 및 탭 저하
알루미늄\/구리 호일의 산화 또는 부식은 접촉 저항의 증가를 초래한다 (높은 구인 환경에서 일반적). 탭 용접 지점 또는 재료 피로 (예 : 진동 조건 하에서)의 가상 용접은 국소 저항을 곱합니다. 배터리 사용 중에, 현재 수집기와 탭은 환경 요인으로 인해 산화 또는 부식을 겪을 수있어 접촉 저항이 증가 할 수 있습니다. 동시에, 탭 용접 지점 또는 재료 피로의 가상 용접도 국소 저항을 증가시킬 수 있습니다.
(ii) 공정 결함의 중첩 효과
1. 전극 시트의 보존 코팅
면적 밀도 (± 5% 이상)의 변동은 전류 분포가 고르지 않고 국소 분극 저항의 현저한 증가를 초래합니다. 전극 시트의 코팅이 고르지 않으면 배터리 내부의 전류 분포가 고르지 않게되며, 특정 영역은 과도하게 높은 전류 밀도를 가짐으로써 국소 편광 저항이 증가합니다.
2.스태킹\/와인딩 프로세스의 오류
전극 시트의 오정렬은 모서리 접촉으로 이어지고 마이크로-쉐트 회로의 위험과 추가 임피던스의 위험을 증가시킵니다. 배터리 제조 중에 스태킹 또는 와인딩 공정에 오류가 발생하면 전극 시트가 잘못 정렬되어 가장자리 버 접촉으로 이어지면 마이크로 쉐트 회로 및 추가 임피던스의 위험이 증가 할 수 있습니다.
3.전해질 주입 및 습윤이 불충분합니다
전해질은 이온 채널을 차단하여 분리기 구멍 (습윤 정도 <90%)에 완전히 침투하지 않습니다. 전해질이 분리기 구멍에 완전히 침투하지 않으면 이온 채널을 차단하고 리튬 이온의 이동 속도를 늦추고 배터리 내부 저항을 증가시킵니다.
(iii) 사용 환경 및 운영 조건의 영향
1.저온 환경
전해질의 이온 전도도는 50%이상 감소하고, 저항성 및 편광 저항은 모두 증가한다. 저온 환경에서, 전해질의 이온 전도도는 상당히 감소하여 배터리 저항성 및 편광 저항이 증가합니다.
2.고속 충전 및 배출
농도 분극이 강화되고 전압 플랫폼이 무너지고 효과적인 내부 저항이 20% 증가합니다 ({1}}%. 배터리가 고급 충전 및 배출을 겪을 때 전극 표면 근처의 이온 농도는 빠르게 변화하여 농도 분극이 강화되고 배터리 유효 내부 저항이 증가합니다.
3.장기 사이클링 노화
활성 리튬 손실 및 전극 다공성의 감소와 같은 누적 효과는 연간 내부 저항 성장률이 5%를 초과합니다. 배터리의 장기 사이클링 사용 중에 활성 리튬이 점차 고갈되고 전극 다공성도 감소합니다. 이러한 누적 효과는 연간 내부 저항 성장률이 5%를 초과합니다.
(iv) 단락으로 인한 국소 과열 및 구조적 손상
1. 국소 과열
단락으로 생성 된 큰 전류는 배터리 내부의 로컬 온도가 급격히 증가합니다. 고온은 전해질 분해 및 전극 재료 구조의 변화와 같은 배터리 내부 재료의 분해를 가속화하여 내부 저항이 더욱 증가합니다. 예를 들어, 배터리가 단락을 경험할 때 단락 위치는 많은 양의 열을 생성하여 국부 온도가 상승하고 전해질 분해를 일으켜 고 임시 인터페이스 층을 형성하고 배터리 내부 저항을 증가시킵니다.
2. 구조적 손상
단락으로 생성 된 거대한 전류와 열은 분리기 용융 및 전극 재료 변형과 같은 배터리 내부의 구조적 손상을 초래할 수 있습니다. 이러한 구조적 손상은 배터리의 이온 및 전자 수송 채널에 직접적인 영향을 미쳐 내부 저항이 크게 증가합니다. 예를 들어, 단락으로 생성 된 고온은 분리기를 녹일 수있어 양극과 음극 사이의 직접 접촉을 유발하여 더 큰 단락 전류를 형성하고 전극 재료의 구조를 손상시켜 배터리 내부 저항을 증가시킵니다.
IV. 결론
짧은 회로 동안 리튬 배터리의 내부 저항 증가 원인은 재료 수준의 근본 원인, 공정 결함의 중첩 효과, 사용 환경 및 작동 조건의 영향, 단락으로 인한 로컬 과열 및 구조적 손상을 포함하여 다각적입니다. 이러한 요소는 서로 상호 작용하여 단락 동안 리튬 배터리의 내부 저항이 집단적으로 증가합니다. 이러한 원인을 이해하는 것은 리튬 배터리의 설계, 제조, 사용 및 유지 보수에 매우 중요합니다. 배터리 설계 단계에서는 배터리 내부 저항을 줄이기 위해 적절한 재료를 선택하고 프로세스 매개 변수를 최적화해야합니다. 배터리 사용 중에 배터리는 고온, 저온 및 습도와 같은 가혹한 사용 환경에서 멀리 떨어져 있어야하며 배터리의 충전 및 방전 속도는 배터리 서비스 수명을 연장하고 배터리 안전을 보장하기 위해 합리적으로 제어해야합니다. 동시에, 이미 단락을 경험 한 배터리의 경우 더 심각한 안전 문제를 유발하지 않도록 적시에 처리해야합니다. 향후 연구는 단락 동안 리튬 배터리의 내부 저항 증가 메커니즘을 더욱 탐구하고 리튬 배터리 성능 및 안전성을 향상시키기 위해보다 효과적인 배터리 관리 및 보호 기술을 개발해야합니다.