リチウムイオン電池はなぜ自己放電するのか、自己放電を測定する方法は?

の自己放電反応リチウムイオン電池避けられない。その存在は、バッテリー自身の容量の減少につながるだけでなく、バッテリーの組み立てとサイクル寿命にも深刻な影響を与えます。リチウムイオン電池の自己放電率は、一般的に月に2%から5%であり、単一セルの使用要件を十分に満たすことができます。

しかし、一度単一リチウム電池をモジュールに組み立てると、各リチウム電池の特性が完全に一貫しなくなるので、各リチウム電池の端子電圧が完全な一貫性に達せず、モジュール内に過充電または過放電した電池が現れると、セルリチウム電池の性能が低下する。充電と放電の数が増えると劣化の程度はさらに悪化し、組み立てられていない単一細胞と比較してサイクル寿命が大幅に低下します。そのため、リチウムイオン電池の自己放電率に関する詳細な研究は、電池生産の緊急の必要性である。

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自己放電に影響を与える要因

電池の自己放電現象とは、電池が開放回路に放置された場合の電池の容量の自然発生的な損失の現象を指し、また、充放電容量と呼ばれる。自己放電は、一般に、可逆的自己放電と不可逆的な自己放電の2つのタイプに分けることができます。損失容量は可逆的自己放電のために可逆的に補償することができ、原理は、通常の電池放電反応と同様である。容量の損失を補償することができない自己放電は不可逆的な自己放電である。主な理由は、正極と電解質の反応、負極と電解質の反応、電解質中の不純物による反応、不純物による不可逆的な反応を製造する時期など、電池内部で不可逆的な反応が起こったことである。自己放電の影響要因は以下の通りである。

1 カソード素材

正極材料の影響は主に、正極材料の遷移金属および不純物が負極で析出して内部短絡を引き起こし、それによりリチウム電池の自己放電を増大させることである。Yah-Mei Tengらは、2つのLiFePO4陰極材料の物理的および電気化学的特性を研究した。この研究では、原材料や充電と放電の間に鉄不純物含有量の高い電池は、高い自己放電率と安定性が低いことが判明しました。その理由は、鉄が徐々に負極で減少し沈殿し、セパレータを突き刺し、電池中に短絡を引き起こし、より高い自己放電をもたらすからである。

2 アノード材料

負極材料が自己放電に及ぼす影響は、主に負極材料と電解質との不可逆的な反応によるものである。早ければ2003年、Aurbachらは、放出ガスに電解質を減らし、グラファイト表面を電解質にさらすことを提案した。充電・放電の過程において、リチウムイオンが挿入・抽出されると、黒鉛層構造が損傷しやすくなり、自立率が大きくなる。

3 電解質

電解質の影響は主に含まれる:電解質または不純物による負極の表面の腐食;電解質中の電極材料の溶解;電極は、不溶性固体または電解質によって分解されたガスで覆われ、パッシベーション層を形成する。現在、電解質が自己放電に及ぼす影響を抑制する新たな添加剤の開発に多くの研究者が注力しています。Jun Liu et et et et. NCM111電池電解質にVECなどの添加剤を添加し、電池の高温サイクル性能が向上し、自己放電率が一般的に低下することを発見した。その理由は、これらの添加剤がSEI膜を改善し、電池負極を保護することができるからである。

4 ストレージの状態

貯蔵状態の一般的な影響要因は、貯蔵温度および電池SOCである。一般に、SOCが高いほど、電池の自己放電が大きくなります。タカシらは、静的条件下でリン酸鉄リチウム電池の容量崩壊実験を行った。その結果、温度が上昇するにつれて、保存時間とともに容量保持率が徐々に低下し、バッテリの自己放電率が上昇することを示している。

劉順建氏らは市販のリチウムマンガン電源バッテリーを使用し、電池の充電状態が大きくなるにつれて、正極の相対的な電位が高くなり、その酸化可能性が強くなることを発見した。負極の相対的な電位が低くなったと、その還元性が強くなり、両方ともMnの沈殿を加速することができ、自己放電速度の増加を招く。

5 その他の要因

電池の自己放電率に影響を与える多くの要因があります。上記に加えて、主に以下の側面があります:生産工程中、ポールピースを切断したときに発生するバリ、および埃、ポールピース上の金属粉などの生産環境の問題のために電池に導入された不純物は、電池の内部マイクロショート回路を引き起こす可能性があります。外部環境は湿度が高く、外部回路は完全に絶縁されておらず、バッテリ・エンクロージャーの絶縁性が悪い。貯蔵中に外部電子回路があり、自己放電につながります。長期保存中、電極材料と集電体の活物質との間の結合が失敗し、活性材料の脱落および剥離が生じ、容量の低下および自己放電の増加を招く。上記の各要因または複数の要因の組み合わせにより、リチウム電池の自己放電挙動が起き、自己放電の原因を見つけ出し、電池の貯蔵性能を推定することが困難になる可能性があります。

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自己放電速度の測定方法

リチウム電池の自己放電率は一般的に低いということは、上記の分析から知ることができる。自己放電速度自体は、温度、使用サイクル数、SOCなどの要因によって影響を受けます。そのため、電池の自己放電を正確に測定することは非常に困難で時間がかかる。

1 自己放電率の従来の測定方法

現在、従来の自己放電検出方法は以下の通りです。

1.1 直接測定方法

まず、テスト対象のバッテリを一定の充電状態に充電し、一定期間開いたままにしてから、バッテリーを放電してバッテリーの容量損失を判断します。自己放電率:

式では:Cは、バッテリの定格容量です。C1は放電容量である。回路を開いたままにした後、電池の残存容量は、電池を放電することによって得ることができる。このとき、電池は再充電され、電池の全容量を決定するために数回放電される。この方法は、バッテリの不可逆的な容量損失および可逆的な容量損失を判定することができる。

1.2 開放電圧減衰率測定方法

オープン回路電圧は、バッテリの充電状態SOCに直接関係しています。これは、一定期間におけるバッテリのOCVの変化率を測定するだけで済みます。

この方法は操作が簡単で、バッテリの電圧を任意の期間に記録するだけで、電圧とバッテリSOCの関係に応じて、この時点でのバッテリの充電状態を取得することができます。電圧の減衰傾きと単位時間に対応する減衰容量の計算を通じて、最終的に電池の自己放電率を得ることができる。

1.3 容量の保守方法

バッテリの希望するオープン回路電圧またはSOCが必要とする電力量を測定して、バッテリの自己放電率を得ます。すなわち、バッテリ開放電圧が測定された場合の充電電流が維持され、バッテリの自己放電速度を測定された充電電流とみなすことができる。

2 自己放電速度の急速な測定方法

従来の測定方法は長い時間がかかり、測定精度が不十分であるため、ほとんどの場合、自己放電率は電池検出プロセスで電池をスクリーニングする方法としてのみ使用されます。多数の新しい、便利な新しい測定方法の出現は電池の自己放電の測定のための多くの時間そして努力を節約する。

2.1 デジタル制御技術

デジタル制御技術は、従来のシングルチップマイクロコンピュータを用いた自己放電測定法に由来する新しい自己放電測定法です。この方法は、短い測定時間、高精度、および簡単な機器の利点を有する。

2.2 等価回路法

等価回路法は、まったく新しい自己放電測定方法です。この方法は、リチウムイオン電池の自己放電速度を迅速かつ効果的に測定できる等価回路として電池をシミュレートします。

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自己放電率の測定の意義

リチウムイオン電池の重要な性能指標として、自己放電速度は電池の選択とグループ化に重要な影響を与えます。そのため、リチウム電池の自己放電率を測定することは、極度に重要である。

1 問題セルを予測する

同じバッチの電池では、材料と製造コントロールは基本的に同じです。個々の電池の白い放電が明らかに大きすぎると、その理由は、分離器を突き刺す不純物やバリのために深刻なマイクロ短絡である可能性が高い。マイクロショート回路が電池に及ぼす影響は遅く不可逆的であるため。そのため、このような電池の性能は、通常の電池とあまり変わりませんが、長期保存後に内部の不可逆反応が徐々に深まる中、電池性能は工場の性能や通常の電池性能よりもはるかに低くなります。そのため、工場の電池の品質を確保するためには、大きな自己放電を伴う電池を排除する必要があります。

2 電池をグループ化する

リチウム電池は、容量、電圧、内部抵抗、白い放電率など、より一貫性が必要です。バッテリパックに対するバッテリの自己放電率の影響は、主に次のとおりです:モジュールが組み立てられると、個々のリチウム電池の自己放電速度が異なるため、シェルビングまたはサイクリングプロセス中に電圧が様々な程度に低下し、電流の下で直流で充電されるため、各充電後に電流が再び等しくなります。、リチウム電池モジュールに過充電または過充電された単一セルがある場合があります。充放電の数が増えるにつれて、電池性能が徐々に悪化し、サイクル寿命が組み立てられていない単一セルと比較して、大幅に低下している。そのため、電池アセンブリはリチウムイオン電池の自己放電速度を正確に測定し、スクリーニングする必要があります。

3 電池SOC推定の補正

充電状態は残存容量とも呼ばれ、バッテリが一定期間使用された後、または長期間未使用の容量とその完全に充電された容量の比率を表し、通常はパーセンテージで表されます。自己放電速度は、リチウムイオン電池のSOC推定に重要な基準値を有する。自己放電電流によるSOCの初期値の補正により、SOC推定の精度を向上させることができます。一方で、顧客のために、製品の使用時間または運転距離は、残りの電力に基づいて推定することができます。一方、BMSのSOC予測の精度を効果的に向上させ、電池過充電を防止することができる。過放電により、電池寿命を延ばします。