რა არის ბატარეის სიმძლავრის დეგრადაციის მექანიზმი?
მატერიალური სტრუქტურის ცვლილება
ამჟამად ყველაზე ფართოდ გამოყენებული კათოდური მასალები ძირითადად მოიცავს LiMO2-ის ექვსკუთხა ფენოვან სტრუქტურას (სადაც M=Co, Ni, Mn), LiMn2O4-ის სპინელ სტრუქტურას და LiFePO4-ის ოლივინის სტრუქტურას. სტრუქტურის მიუხედავად, როდესაც ლითიუმის იონები კათოდიდან დეინტერკალდება, მასალაში ელექტრული მდგომარეობის შესანარჩუნებლად, ლითონის ელემენტი აუცილებლად იჟანგება უფრო მაღალ ვალენტურ მდგომარეობაში, რასაც თან ახლავს ფაზის გადასვლის პროცესი. ფაზური გადასვლები ხშირად იწვევს ფაზურ ცვლას, ამიტომ ლითიუმის იონები განუწყვეტლივ ურთიერთქმედებენ და დეინტერკალირდებიან მასალაში, ფაზის ცვლილება გრძელდება და გრძელვადიან პერსპექტივაში ეს საფრთხეს უქმნის კრისტალების სტაბილურობას. ანოდთან შედარებით, არათანაბარი შექცევადი სიმძლავრე, რომელიც გამოწვეულია ფაზური გადანაცვლებით და კათოდური მასალის ნაყარი სტრუქტურის ცვლილებებით, მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ბატარეის ხანგრძლივობაზე. გრაფიტს აქვს ფენიანი სტრუქტურა. როდესაც ის რამდენიმე ფენის სისქეა, ლითიუმის იონები ბატარეის დამუხტვის დროს ერწყმის ფენებს შორის და ერწყმის გარე წრედიდან გადატანილ ელექტრონებს ლითიურ გრაფიტს, და ამ დროს იზრდება ფენების მანძილი; გამონადენის დროს ლითიუმის იონები ტოვებენ გრაფიტის შუალედებს და ათავისუფლებენ ელექტრონებს გარე წრეში, განიცდიან დეინტერკალაციისა და დაჟანგვის რეაქციას და ამ დროს მცირდება ფენებს შორის მანძილი.
აქტიური მასალის დაშლა
კათოდური მასალის დაშლა ეხება პროცესს, როდესაც აქტიური მასალა თანდათან მცირდება ელექტროლიტში კოროზიის გამო. კათოდური მასალის დაშლა მაღალ ტემპერატურაზე არის ბატარეის სიმძლავრის დაქვეითების ერთ-ერთი მიზეზი, რაც განსაკუთრებით დიდ გავლენას ახდენს ციკლის შესრულებაზე და ბატარეების შენახვის ეფექტურობაზე მაღალ ტემპერატურაზე. გარდამავალი ლითონების დაშლა გარკვეულ პირობებში არის პრობლემა, რომელიც არსებობს ყველა LiMO2 კათოდის მასალაში. ძირითადი მიზეზები, რის გამოც აქტიური მასალის დაშლა იწვევს ბატარეის მუშაობის გაუარესებას, არის: $\\textcircled{1}$ ლითონის ელემენტების დაშლა პირდაპირ იწვევს აქტიური მასალის შემცირებას, რაც იწვევს ბატარეის სიმძლავრის დაკარგვას; $\\textcircled{2}$ კათოდური მასალის დაშლა იწვევს მასალის სტრუქტურის დეგრადაციას და ნაწილაკების ზედაპირზე ქიმიურად არააქტიური ნივთიერებების წარმოქმნას, რაც აფერხებს ლითიუმის იონების ტრანსპორტირებას ელექტროდის მასალაში; $\\textcircled{3}$ ელექტროლიტში შემავალი გამხსნელი ლითონის იონები მიგრირებენ ელექტროლიტის ანოდში და დეპონირდება ანოდის ზედაპირზე ლითონის ან მარილის სახით დაბალი პოტენციალის ქვეშ და ეს დეპოზიტები გარდაუვლად მოქმედებს SEI ფირის სტაბილურობაზე და სისქეზე ანოდის ზედაპირზე, რაც იწვევს ელექტროდის ზედაპირის პოლარიზაციას და ბატარეის შიდა წინააღმდეგობის გაზრდას. ამრიგად, ელექტროლიტზე აქტიური მასალის დაშლის ეფექტი არ მოდის მხოლოდ დაშლისგან, არამედ გარდამავალი ლითონების დაშლის შედეგად გამოწვეული უფრო უარყოფითი ეფექტებიდან.
ლითიუმის იონების მოხმარება
ლითიუმის-იონური ბატარეების დიზაინში, ბატარეის ტევადობა ზოგადად ოდნავ აღემატება კათოდის მოცულობას და გადამუშავებადი ლითიუმის იონები ასევე უზრუნველყოფილია კათოდის მიერ. ამრიგად, ლითიუმის იონების შექცევადი ჩარევა და დეინტერკალაცია კათოდსა და ანოდს შორის განსაზღვრავს ბატარეის სიმძლავრეს. პირველი დატენვისა და განმუხტვის პროცესში ანოდის ზედაპირზე წარმოიქმნება SEI ფილმი. ამ პასივაციური ფილმის ძირითადი კომპონენტებია სხვადასხვა არაორგანული ნივთიერებები, როგორიცაა Li2CO3, LiF, Li2O, LiOH და სხვადასხვა ორგანული კომპონენტები, როგორიცაა ROCO2Li, ROLi და (ROCO2)2Li. ამრიგად, ზოგიერთი ლითიუმის იონი მოიხმარება და ეს სიმძლავრის დაკარგვა შეუქცევადია. ანოდის მოქმედება დიდ კავშირშია SEI ფირის მორფოლოგიასა და სტაბილურობასთან და ანოდის ზედაპირზე სტაბილური SEI ფილმის ფორმირების შესაძლებლობას აქვს არა-უმნიშვნელო გავლენა ბატარეის მუშაობაზე. SEI ფილმის ფორმირება მოიხმარს ბატარეაში შეზღუდულ ლითიუმის იონებს. თუ SEI ფილმი განუწყვეტლივ ზიანდება ციკლის განმავლობაში, მაშინ ჟანგვის რეაქცია ანოდის/ელექტროლიტის ინტერფეისზე მუდმივად მოხდება ახალი SEI ფილმის წარმოქმნით. ეს პროცესი მოიხმარს სისტემაში კათოდის მიერ მოწოდებულ ლითიუმის შეზღუდულ იონებს, ხოლო აქტიური ლითიუმის იონების შემცირება იწვევს სიმძლავრის დაშლას. ელექტროლიტში ლითიუმის იონების შემცირება იწვევს ელექტროლიტის გამტარობის დაქვეითებას, ხოლო ლითიუმის იონების დაკარგვა კათოდის მასალაში იწვევს ბატარეის ორ ელექტროდს შორის დისბალანსს.
შიდა წინააღმდეგობის გაზრდა
ბატარეის გრძელვადიანი-ციკლის დროს, შიდა წინააღმდეგობის გაზრდა ასევე მნიშვნელოვანი მიზეზია სიმძლავრის დაქვეითებისთვის. შიდა წინააღმდეგობის გაზრდის მრავალი მიზეზი არსებობს, ძირითადად ორი ასპექტიდან: $\\textcircled{1}$ ჟანგვის რეაქცია, რომელიც ხდება ელექტროლიტის ელექტროდის/ელექტროლიტის ინტერფეისზე, იწვევს ელექტროდის ზედაპირის ფირის წინააღმდეგობის ზრდას და ანოდის SEI ფირის არასტაბილურობას, მუდმივად წარმოქმნის ახალ ზედაპირულ ფილმებს ბატარეის შიდა წინააღმდეგობის გაზრდისა და ა.შ. $\\textcircled{2}$ ლითონის იონების დაშლა კათოდში ელექტროლიტში და გახსნილი იონიზებული ლითონის იონები ელექტროლიტის მეშვეობით მიგრირებენ ანოდში და დეპონირდება ანოდის ზედაპირზე ლითონის ან მარილის სახით, რის შედეგადაც იზრდება ელექტროდის პოლარიზაცია. გარდა ამისა, კვლევამ ასევე დაადასტურა, რომ მიმდინარე კოლექტორის კოროზიამ შეიძლება გამოიწვიოს შიდა წინააღმდეგობის გაზრდა, მაგრამ ეს ეფექტი შედარებით მცირეა მიმდინარე კოლექტორის წინასწარი დამუშავების პირობებში. შიდა წინააღმდეგობის ზრდა იწვევს ენერგიის სიმკვრივისა და სიმძლავრის შემცირებას, განსაკუთრებით ანოდისთვის, რეაქცია, რომელიც ხდება ელექტროდის/ელექტროლიტის ინტერფეისზე, არის ანოდის დაბერების მთავარი მიზეზი.
