バッテリー性能への水分含有量の影響

材料の種類、正極と負極の圧縮密度、水分、コーティング表面密度、電解質の量など、リチウム電池の性能に影響を与える多くの要因があります。その中でも、水分はリチウムイオン電池の性能に重大な影響を与えます。湿気は、リチウムイオン電池の製造プロセス中に厳密に管理する必要がある重要な要素です。水分が多すぎると、電解液中のリチウム塩が分解し、正極材料と負極材料に損傷を与えるだけでなく、集電装置には特定の腐食および破壊効果があり、サイクル性能と安全性能が低下します。バッテリーの。ただし、微量の水分には重要な意味があります。以下は、リチウム電池の性能に対する湿気の影響について説明しています。

1.過度の湿気の欠点

三元系/グラファイト系電池の製造工程において、正極スラリーの調製には、通常、PVDFをバインダーとし、NMPを溶媒とする油性分散系が用いられます。 PVDFが過剰な湿気に遭遇すると、ゼラチン状の物質が形成され、スラリーの流動性とレベリングが低下しますが、これはスラリーのコーティングにはつながりません。したがって、スラリーを調製するときは、原材料の含水率、作業環境、および人員の操作中の湿気の導入に注意を払う必要があります。

リチウム電池スラリーの調製に大きな影響を与えることに加えて、過剰な水分は電解質の分解を引き起こします。応答は次のとおりです。

フッ化水素酸は特に腐食性の高い酸であり、リチウム電池の正極および負極材料と集電装置に深刻な損傷を引き起こし、最終的に電池の安全性の問題を引き起こす可能性があります。

2.微量水の意味

ただし、リチウム電池の方が水が少ない方が良いというわけではありません。ご存知のように、固体電解質インターフェース（一般にSEI膜として知られています）は、Li +が自由に通過できる選択透過性膜ですが、電解質分子は通過できません。電解質と微量添加物の組成は、SEI膜形成の可能性、コンパクトさの程度、バッテリーの不可逆容量損失、およびバッテリーの内部抵抗に大きな影響を与えます。電解質中の微量成分としての水は、SEI膜の形成とリチウムイオン電池の電池性能に一定の影響を与えます。

第三に、リチウム電池の性能に対する水分の影響

異なる材料システムでは、含水率はバッテリーの性能に大きな影響を与えます。ただし、変化がないことは、湿気がリチウム電池の初回充放電容量、内部抵抗、電池サイクル寿命、および電池容量に影響を与えることです。例として、コバルト酸リチウム/グラファイトシステムバッテリーを取り上げます。

1.初回充放電容量への影響

湿気はリチウム電池でのSEIの形成に関連しており、必然的にリチウム電池の最初の不可逆的な容量損失に影響を与えます。図1に示すように：

図1.バッテリーの充放電容量に対する含水率の影響

バッテリー内の水分が0.015％未満の場合、バッテリーの最初の放電容量は国家標準を満たし、変化はわずかです。バッテリーの湿気が0.015％から0.04％の範囲内にある場合、バッテリーの最初の放電容量は、バッテリーの湿気が増加するにつれて減少します。バッテリーの含水率が0.015％未満の場合、以下の反応が支配的になります。

単一電子還元プロセスで生成された炭酸リチウムは、電解液中の微量の水と反応して炭酸リチウムを生成することもできます。

2ROCO2 Li {{2}} H2O→Li2CO3+CO2+2ROH

CO2が発生すると、低電位の負極表面で新しい化学反応が発生します。

2CO2+2Li++2e→Li2CO3+CO

適切な量​​の水が、Li2CO3が支配する安定した均一で緻密なSEI膜の形成に役立つことがわかります。 SEIフィルムが負極を完全に覆うと、不可逆的な反応はすぐに停止します。

含水率が0.0150％から0.04％の範囲内の場合、リチウムイオンの消費が増加し、バッテリーの充放電容量が減少するため、バッテリーに悪影響を及ぼします。

2.バッテリーの内部抵抗への影響

バッテリーの内部抵抗は、バッテリーの最も重要な特性パラメーターの1つです。これは、バッテリーのサイクル寿命と動作状態を特徴付ける重要なパラメーターであり、バッテリー内のイオンと電子の輸送の困難さの主要な指標です。内部抵抗は、主に電池の材料、製造プロセス、電池の構造などの要素の影響を受けます。内部抵抗が小さいほど、バッテリーの放電時に占有される電圧が小さくなり、出力できるエネルギーが多くなります。電池を長期間保管すると、保管時間が長くなると内部抵抗が増加し、内部抵抗がある値を超えると電池の性能に大きな影響を与えます。含水率はリチウム電池のSEIフィルムの品質に影響を与えるので、導入は電池の内部抵抗に影響を与えます。

EC / DMC / EMC電解質溶媒システムでは、微量の水が、Li2CO3ベースの安定した、均一で緻密なSEI膜を形成し、内部抵抗が低くなります。含水率がSE I膜を形成するために必要なシステムの含有量を超えると、POF3とLiFがSEI膜の表面に沈殿し、電池の内部抵抗が増加します。写真2に示すように：

図2.バッテリーの内部抵抗に対する含水率の影響

3.バッテリー容量低下への影響

含水率は、均一性やコンパクトさなどのバッテリーSEIフィルムの特性に影響を与えます。 SE Iフィルムが均一で緻密である場合、電解質溶媒は負極に埋め込まれにくく、Li +挿入空孔を占めるため、容量の低下はほとんどありません。逆に、SEI膜の一部が緻密でない場合や均一でない場合は、Li +挿入空孔が電解質溶媒で占められやすくなります。 Li2CO3は、均一で緻密なSEI膜を形成するための最も重要なコンポーネントです。 EC / DMC / EMC電解質溶媒システムでは、適量の水がLi2CO3に基づくSEI膜の形成を促進します。含水量が十分または過剰な場合、SEIが形成されます。膜が高密度で均一であるほど、炭素アノードに溶媒が埋め込まれる可能性が低くなります。これが、含水率が0.015％から0.04％の範囲では、含水率の増加に伴ってバッテリー容量の減衰が徐々に減少する理由です。含水率が0.015％未満であると、負極表面に緻密なSEI皮膜が形成され、包埋溶媒の平衡状態が維持される。したがって、バッテリー容量の減衰は比較的安定した状態で維持されます。

図3.バッテリー容量の減衰率に対する含水率の影響

4.バッテリーの厚さへの影響

図4.バッテリーの厚さに対する含水率の影響

図から、含水率が増加するにつれて、バッテリーの厚さも増加することがわかる。含水率がCO2によるものである場合、SEI膜の形成中に発生するCOおよび他のガス。そして、水が過剰な場合、過剰な水は引き続きLiPF6と反応してHFガスを生成します。バッテリーの内部ガス生成は、バッテリーの安全性に関連しています。バッテリーの深刻な鼓腸の問題を回避するために、バッテリー内部の水は厳密に制御されなければなりません。

参照：

[1] Do ron Aurbach、Yair E in-El.i JE lectrochem Soc [J]、1995、142（6）：1746

[2] HUANG Feng（黄峰）、ZHOU Yun-Hong（周运鸿）。バッテリーB imonthly（バッテリー）[J]、2001、31（6）：290

[3] Zhang Hailin、He Xiangyun、Li Yanなど。リチウムイオン電池の性能に対する電極水分の影響［J］。バッテリー業界、2013、18（1/2）：44-46。