Während des langen Zyklus ist die reversible Kapazität des Litium-Ionen-Batterie wird aufgrund der Reduzierung der Aktivmaterialien, der Ausscheidung von metallischem Lithium, des kontinuierlichen Elektrolytverbrauchs, der Erhöhung des Innenwiderstands und des thermischen Durchgehens weiter abnehmen. Unter ihnen ist das Lithiumentwicklungsphänomen der negativen Graphitelektrode die wichtigste Ursache für Batterie Kapazitätsverlust und interner Kurzschluss.

In Fortsetzung unseres letzten technischen Artikels werden wir nun im Folgenden mehr über dieses Phänomen erklären:

Basierend auf der Untersuchung von Li-Cu-Batterien hofft der Autor zu beweisen, dass Li-Graphit-Batterien auch bei einem Potential höher als 0 V (gegen Li0/Li+) eine Lithium-Entwicklungsreaktion eingehen können. Um die Auswirkungen der Kinetik zu minimieren, reduzierten die Forscher den angelegten konstanten Strom auf -10 mA (ca. C/25). Die drei Spannungsplattformen in Abbildung 4B entsprechen verschiedenen Lithium-Insertionsstufen von Graphit. In der letzten Stufe der dritten Spannungsplattform wird die Heizvorrichtung eingeschaltet (Fig. 4C), und die Batteriespannung steigt aufgrund des Anstiegs des Ausgleichselektrodenpotentials und der Verringerung des Überpotentials schnell an. Dann, als die Graphit-Lithium-Interkalationsreaktion fortschritt, begann die Spannung zu fallen. Wenn die Spannung auf 25 mV abfällt, fällt die Steigung der Spannungskurve deutlich ab (wie in Abbildung 4E gezeigt), die sich vollständig von der Ladungskurve von unbeheiztem Graphit unterscheidet, was bedeuten kann, dass Lithiumionen beginnen, sich abzuscheiden und Lithiummetall auszufällen. Wenn die Spannung auf 15 mV abfällt, wird der angelegte Strom entfernt (der graue Pfeil in Abbildung 4B). Zu diesem Zeitpunkt steigt die Spannung aufgrund des Anstiegs der Lithiumionenkonzentration zwischen den Graphitpartikeln und im Elektrolyten plötzlich auf 72 mV an. Dies ist auf die Auflösung von Lithium und die weitere Einlagerung von Lithium in den unvollständigen Einlagerungsteil zwischen den Graphitschichten zurückzuführen. Nachdem sich die Spannung auf 85 mV stabilisiert hat, wird der Konstantstrom für eine gewisse Zeit wieder angelegt und dann zyklisch wieder entfernt. Während des gesamten Prozesses bleibt das Potential der Graphitelektrode immer über 0 V (gegen Li0/Li+). Aus der Temperaturkurve in Fig. 4D ist ersichtlich, dass der Temperaturänderungstrend des Systems dem der Li-Cu-Elektrode sehr ähnlich ist. Der Grund für den Temperaturabfall ist die Wärmeableitung, die durch die Abscheidung von Lithiummetall verursacht wird. Wenn der angelegte Strom weggenommen wird, lässt die Auflösung und die weitere Einlagerung von Lithium zwischen den Graphitschichten die Temperatur der Batterie steigen. Nach dem Experiment ist auch im mittleren Bereich des Graphitpolschuhs die Ausscheidung von metallischem Lithium zu sehen, was bestätigt, dass die ungleichmäßige Temperaturverteilung im Inneren der Batterie kann in der Tat bewirken, dass die Graphitanode bei einem Potential von mehr als 0 V (gegen Li0/Li+) eine Lithiumausfällung eingeht.

Abbildung 5. Lithiumentwicklung auf einer Graphitanode unter Schnellladebedingungen

(c) Unter Erhitzungsbedingungen ist das Foto der negativen Graphitelektrode nach dem schnellen Laden, der zentrale Bereich ist vollständig mit Lithium interkaliert und das Phänomen der Lithiumentwicklung tritt auf.