Over{0}}ontlading van lithium--ionbatterijen leidt niet direct tot lithiumplating, maar veroorzaakt wel een reeks nevenreacties die indirect het risico op lithiumplating tijdens het daaropvolgende opladen verhogen.
Directe gevolgen van te veel -ontlading
Oplossen van koperfolie en vorming van koperdendriet
Wanneer de koperen stroomcollector op de anode over- wordt ontladen tot een abnormaal hoog negatief elektrodepotentieel (meestal boven 1,5 V vs. Li/Li⁺), ondergaat hij een oxidatieve oplossing om Cu²⁺-ionen te genereren. Nadat ze naar de kathode zijn gemigreerd, worden Cu²⁺-ionen gereduceerd tot metallisch koper en afgezet om koperen dendrieten te vormen. Deze dendrieten kunnen de separator doorboren en interne kortsluiting veroorzaken.
SEI-filmafbraak en gasgeneratie
Overmatige -ontlading leidt tot overmatige de-intercalatie van lithium uit de anode. De SEI-film valt uiteen, waarbij warmte en gassen vrijkomen (zoals CO en H₂), die de zwelling van de batterij verergeren.
Indirect verband tussen over{0}}ontlading en lithiumplating
Verhoogd risico op lithiumplating bij daaropvolgend opladen
Over-ontlading beschadigt de interne batterijstructuur (bijvoorbeeld gebroken SEI-film, vorming van koperen dendriet) en verhoogt de interne weerstand. Als het opladen onder dergelijke omstandigheden wordt uitgevoerd, zullen de volgende problemen optreden:
Verslechterde kinetische omstandigheden: Beschadigde anode-interfaces en verbruikte elektrolyt belemmeren de intercalatie van lithium{0}}ionen, waardoor de anodepotentiaal gemakkelijk onder 0 V wordt getrokken en lithiumplating wordt geactiveerd.
Verhoogde lokale stroomdichtheid: Koperen dendrieten of blokkades van de separator kunnen plaatselijke polarisatie veroorzaken en de lithiumplating versnellen.
Experimenteel bewijs
Wanneer over-lege batterijen worden opgeladen, kunnen er op het anodeoppervlak gebroken-witte lithium-platingzones naast zwarte vlekken (lithium-vrije gebieden) verschijnen, wat bewijst dat lithium-plating gecorreleerd is met interfaceschade veroorzaakt door over-ontlading.
Triggervoorwaarden voor lithiumplating
Lithiumplating vindt inherent plaats tijdens het opladen en vereist twee vereisten:
Thermodynamische toestand: Anodepotentiaal Kleiner dan of gelijk aan 0 V (vs. Li/Li⁺).
Kinetische toestand: de intercalatiesnelheid van lithium-ionen is lager dan de snelheid van lithiumafzetting (bijvoorbeeld lage temperatuur, hoge- oplaadsnelheid).
Hoewel overmatig ontladen niet op zichzelf kan voldoen aan de thermodynamische vereisten voor lithium-plating, brengt dit de batterijstructuur in gevaar en creëert het verborgen risico's die lithium-plating-omstandigheden tijdens later opladen mogelijk maken.
Conclusie
Over{0}}ontlading verhoogt het risico op lithiumplating bij het daaropvolgende opladen drastisch, indirect via drie mechanismen: interne kortsluiting door koperen dendrieten, ontleding van de SEI-film en ernstige schade aan de interface. Voor praktische toepassingen moet over-ontlading strikt worden voorkomen (bijvoorbeeld door een ontlading-uitschakelspanning te configureren). Nadat er sprake is van over-ontlading, moeten conservatieve oplaadprotocollen (bijvoorbeeld herstelladen met lage-stroom) worden toegepast om de veiligheidsrisico's te beperken.
