Analiza mehanizama korozije u litijum-gvozdenim ćelijama od aluminijuma-: Povećanje sigurnosti i dugovečnosti

Sa brzim razvojem novih energetskih vozila, sistema za skladištenje energije i industrije potrošačke elektronike, zahtjevi za sigurnošću, gustinom energije i životnim ciklusom litijum{0}}jonskih baterija stalno rastu. Zahvaljujući izvrsnoj mehaničkoj čvrstoći, laganoj prirodi i superiornim mogućnostima odvođenja topline, aluminijska kućišta su postala ključno rješenje za pakovanje mnogih baterija za pohranu energije i energije. Konkretno, aluminijumska kućišta se široko koriste u prizmatičnim baterijama, obezbeđujući pouzdanu strukturnu zaštitu i upravljanje toplotom za ćelije baterija.

 

U poređenju sa ćelijama u torbici i određenim cilindričnim dizajnom baterija, baterije sa -aluminijskim kućištem nude vrhunsku otpornost na udarce i stabilnost dimenzija. Posebno u sistemima baterija velikog-kapaciteta, aluminijumska kućišta efikasno povećavaju ukupnu krutost ćelija i smanjuju rizik od deformacije uzrokovane vanjskim mehaničkim stresom tokom transporta i rada; shodno tome, oni se naširoko koriste u željezničkom tranzitu, skladištenju električne energije i primjenama novih energetskih vozila.

 

U normalnim radnim uslovima, na površini aluminijumskog kućišta formira se gust i stabilan sloj pasiviranja oksida. Ovaj zaštitni film efikasno sprečava direktan kontakt između metalne podloge i spoljašnjeg medija, čime se povećava otpornost na koroziju. Za aluminijumska kućišta koja se koriste u ćelijama litijum{2}}polimerskih baterija, integritet ovog sloja pasivacije je direktno povezan sa dugotrajnom-pouzdanošću i životnim vekom kućišta baterije.

 

Daljnja analiza korištenjem energetske{0}}disperzivne spektroskopije (EDS) otkrila je da, dok se netaknuto kućište sastoji prvenstveno od aluminija, korodirana područja sadrže značajne količine kisika i ugljika. To ukazuje da proces korozije uključuje stvaranje novih produkata kemijske reakcije i složene elektrohemijske promjene.

 

Analiza difrakcije X- zraka (XRD) pokazala je da se proizvodi korozije uglavnom sastoje od litijum karbonata i manjih količina jedinjenja litijum-aluminijuma. To sugerira da, pod određenim uvjetima, litijum joni učestvuju u hemijskim reakcijama na površini kućišta. U slučaju prizmatičnog kućišta litijumskih baterija, ako se stvori električna veza između negativne elektrode i kućišta, litijum joni mogu prvenstveno migrirati prema kućištu i podvrgnuti reakciji interkalacije.

 

Mehanički, metalna aluminijumska rešetka ima strukturnu konfiguraciju koja prihvata interkalaciju litijum jona. Kada negativna elektroda ostvari direktan kontakt sa kućištem, neki litijum joni mogu ući u aluminijumsku rešetku i formirati jedinjenja litijum-aluminijuma. Kako se reakcija odvija, međuprodukti kao što su litijum oksid i litijum hidroksid formiraju se na površini kućišta; ovo je primarni razlog zašto korodirani uzorci pokazuju izrazitu alkalnost.

 

Kako korozija napreduje, ova jedinjenja litijuma reaguju sa atmosferskim ugljičnim dioksidom, na kraju stvarajući značajne naslage litij karbonata. Za kućišta baterija od litijum gvožđe-fosfata (LFP), takve naslage ne samo da ugrožavaju strukturni integritet kućišta, već i ubrzavaju potrošnju elektrolita i povećavaju unutrašnju impedanciju, što dovodi do kontinuirane degradacije kapaciteta baterije.

 

 

Osim samih kemijskih reakcija, promjene u potencijalu kućišta su kritični faktor koji utječe na koroziju. Istraživanja pokazuju da dok se značajna razlika potencijala održava između kućišta i negativne elektrode u zdravoj ćeliji, ova razlika pada na skoro nulu u ćelijama koje su podvrgnute koroziji. Za litijum{2}}ionske ćelije sa aluminijumskim kućištem, niska razlika potencijala često signalizira kvar u izolacionom sistemu, stvarajući tako uslove koji omogućavaju da reakcija korozije napreduje.

 

Iz proizvodne perspektive, ključ za sprečavanje korozije leži u povećanju pouzdanosti izolacije kućišta. Proizvodni procesi za aluminijumska kućišta moraju strogo kontrolisati dimenzije elektroda, tolerancije dimenzija i pozicioniranje sklopa; istovremeno, izolacijski dizajni u području jezičaka moraju biti ojačani kako bi se spriječio direktan kontakt između negativne elektrode i kućišta. Nadalje, trebalo bi uspostaviti robusne mehanizme za praćenje potencijala omotača i skrining proizvoda kako bi se identificirale ćelije s potencijalnim rizicima u najranijoj mogućoj fazi.

 

Ukratko, korozija aluminijumskog kućišta je u osnovi složen elektrohemijski proces koji se pokreće nenormalnim kontaktom između negativne elektrode i elektrode.Aluminijumsko kućište baterije, što pokreće lančanu reakciju koja uključuje interkalaciju litijum jona u metal aluminijuma. Kako se baterije visoke{1}}energetske-gustine razvijaju, optimizacija materijala aluminijumskog kućišta, nadogradnja izolacijskih struktura i kontinuirani napredak u-tehnologijama inspekcije će biti od ključne važnosti za povećanje sigurnosti, pouzdanosti i vijeka trajanja litijum{4}}jonskih baterija.