Mecanweithiau Cyrydiad, Dulliau Methiant, a Strategaethau Diogelu Systematig ar gyfer Alwminiwm-Cased Lithium-Batris Ion

Mae cyrydiad casinau batri alwminiwm wedi'i gategoreiddio'n bennaf yn ddau fath: cyrydiad allanol a chorydiad mewnol. Mae cyrydiad allanol yn deillio o amlygiad y batri i sylweddau cyrydol-fel asidau ac alcalïau (ee, dŵr glaw neu gyfryngau glanhau)-yn ystod storio neu weithredu, sy'n erydu wyneb y casin alwminiwm yn uniongyrchol. I'r gwrthwyneb, mae cyrydiad mewnol yn fwy llechwraidd ac o bosibl yn fwy peryglus; mae ei achos sylfaenol yn gorwedd yn rhyngosod lithiwm i'r strwythur alwminiwm o dan amodau electrocemegol penodol. Pan fydd potensial y casin alwminiwm yn disgyn i rhwng 0.2 a 0.4 V (vs. Li/Li⁺), mae ïonau Li⁺ yn cydblethu i'r dellt grisial alwminiwm i ffurfio aloion rhyngfetelaidd megis LiAl a Li₃Al₂.

Mae'r broses hon yn cymell ehangiad a chracio dellt, gan achosi i'r alwminiwm falurio yn y pen draw, colli ei llewyrch metelaidd, a ffurfio haen cyrydu mandyllog. Mae'r broses ddiraddio hon fel arfer yn cael ei sbarduno gan gylched fer damweiniol rhwng yr electrod negyddol a'r casin alwminiwm.

Er mwyn i gyrydiad mewnol ddigwydd, rhaid bodloni tri chyflwr ar yr un pryd: presenoldeb llwybr electron, llwybr ïon, a photensial cyrydol. O'r rhain, mae'r llwybr ïon (a ddarperir gan yr electrolyte) yn anochel; felly, mae rhwystro'r llwybr electronau a rheoli'r gwahaniaeth posibl yn ffurfio'r strategaethau craidd ar gyfer atal cyrydiad. Mewn dyluniadau safonol, mae casin alwminiwm cell batri prismatig yn sicrhau ynysu trydanol llwyr rhwng yr electrod negyddol a'r casin trwy ddefnyddio deunyddiau inswleiddio (fel ffilmiau inswleiddio neu gasgedi gorchudd uchaf).

Fodd bynnag, os daw'r electrod negyddol i gysylltiad â wal fewnol y casin, boed hynny oherwydd diffygion gweithgynhyrchu (ee, tabiau electrod rhy hir, gludyddion insiwleiddio wedi'u dadleoli, neu amgáu troellog gwael) neu ddifrod mecanyddol allanol-bydd y foltedd rhwng yr electrod negatif a'r casin yn agosáu at 0 V, gan greu'r amodau cyrydiad angenrheidiol ar gyfer lithiwm{5} Mae astudiaethau arbrofol wedi dangos, yn dilyn nifer o gylchredau gwefru, bod batris o'r fath dan fygythiad yn aml yn dangos trydylliadau a gollyngiadau electrolytau yng nghyffiniau'r falf atal ffrwydrad.

At hynny, mae cylchedau byr allanol yn peri risg yr un mor sylweddol. Os yw arwyneb allanol casin y batri yn sefydlu llwybr dargludol i'r derfynell negyddol-oherwydd electrolyt gweddilliol neu gysylltiad â gwrthrychau metelaidd allanol (fel gosodiadau prawf neu wifrau)- gall hefyd ostwng foltedd y casin i'r ystod potensial cyrydol. Mae ymchwil yn dangos bod batris â foltedd casio cychwynnol o 1–2 V, pan fyddant yn destun cylchoedd rhyddhau gwefr ar ôl sefydlu cylched byr artiffisial gyda'r derfynell negyddol, yn dangos arwyddion o gyrydiad casin alwminiwm yn gyflym. Ar lefel y pecyn batri (PECYN), os yw casinau alwminiwm celloedd unigol cyfagos yn dod i gysylltiad trydanol, mae'n newid y dosbarthiad posibl ar draws cylched y gyfres gyfan. Gall hyn achosi i foltedd casio celloedd unigol penodol ostwng yn annormal o isel-neu hyd yn oed ddod yn negyddol-gan achosi cyrydiad lleol. Er enghraifft, mewn pecyn batri tair-gelloedd, gall cylched byr rhwng casinau alwminiwm y celloedd cyntaf a'r olaf achosi i foltedd casin y gell derfynell ostwng i -1.5 V, a thrwy hynny gyflymu ei fethiant.

Rhaid peidio ag anwybyddu ffactorau amgylcheddol ychwaith. Os yw batri cas alwminiwm a ddyluniwyd ar gyfer cerbydau ynni newydd yn cael ei drochi mewn dŵr asidig gwan (pH ≈ 5), mae'n anodd adennill y foltedd casio yn llawn, hyd yn oed ar ôl sychu. Os bydd cylchoedd gwefru a gollwng yn parhau yn y cyflwr peryglus hwn, mae cyfradd y cyrydiad yn cyflymu'n sylweddol. Mae hyn yn digwydd oherwydd bod presenoldeb lleithder yn cyflwyno llwybrau ïonig ychwanegol, tra bod ïonau amhuredd yn cataleiddio'r adweithiau electrocemegol. Yn bwysicach fyth, o dan amodau foltedd casio isel, gall lithiwm metelaidd adneuo'n uniongyrchol ar wyneb y casin alwminiwm, gan waethygu'r cyrydiad aloi ymhellach.

Mae effaith cyrydiad ar berfformiad batri yn arddangos effaith oedi. Yn ystod y cyfnod cychwynnol (ee, y 400 cylch cyntaf), mae'n ymddangos na ellir gwahaniaethu rhwng cadw cynhwysedd y batri cas alwminiwm y gellir ei ailwefru ac uned arferol heb ei gyrydu; fodd bynnag, wrth i feicio fynd rhagddo, mae lithiwm gweithredol yn cael ei fwyta'n barhaus yn yr adweithiau lithiation sy'n digwydd yn y casin alwminiwm, gan arwain at golled anwrthdroadwy o ddeunydd gweithredol yn y catod. Ar ôl 1,500 o gylchoedd, gall cadw cynhwysedd batri wedi cyrydu blymio o 88% i mor isel â 60%. O ran perfformiad cyfraddau, ni welir unrhyw wahaniaethau sylweddol yn ystod cyfraddau rhyddhau o dan 5C; fodd bynnag, ar gyfraddau rhyddhau uchel sy'n fwy na 10C, mae ymwrthedd mewnol y batri wedi cyrydu yn cynyddu, gan arwain at ddirywiad amlwg mewn perfformiad.