I.はじめに
重要なエネルギー貯蔵装置としてのリチウム電池は、電気自動車や携帯電子機器など、現代社会に広く適用されています。ただし、リチウムバッテリーは使用中に短絡が発生する可能性があります。これは、バッテリーの性能に影響を与えるだけでなく、火災や爆発などの深刻な安全性の問題を引き起こす可能性もあります。内部抵抗は、リチウムバッテリーの性能を測定するための重要な指標の1つです。内部抵抗の増加は、バッテリーの放電容量の減少、容量の減少、およびサービス寿命の短縮につながります。したがって、短絡中のリチウム電池の内部抵抗の原因を研究することは、重要な理論的および実用的な重要性を持っています。
ii。リチウムバッテリーの内部抵抗の組成
リチウムバッテリーの内部抵抗は、主にオーム抵抗と偏光耐性で構成されています。オーム抵抗には、電極自体の抵抗、電解質溶液の抵抗、分離器の微小孔を通過するイオンによって遭遇する抵抗、陽性\/負電極と分離器間の接触抵抗が含まれます。偏光耐性は、電気化学的偏光と濃度偏光を含む、バッテリーの充電および放電中の電極偏光により形成される導電性抵抗です。電気化学的偏光は、電極反応の鈍化によって引き起こされますが、濃度の分極は電極表面付近のイオン濃度の変化によって引き起こされます。
iii。短絡中のリチウム電池の内部抵抗の原因の分析
（i）材料レベルの根本原因
1.正と負の活性材料のゼラデーション
Positive electrode materials (such as NCM, LFP) may experience a decrease in electronic conductivity due to the dissolution of transition metals or structural collapse. For example, during the long-term cycling of a battery, transition metal ions in the positive electrode material may dissolve into the electrolyte, leading to structural changes in the positive electrode material and a reduction in its electronic conductivity. Negative electrode graphite may increase lithium ion migration resistance due to the growth of lithium dendrites or an excessively thick SEI film (>100 nm）。リチウム樹状突起の成長は、分離器に穴を開けてバッテリーの短絡を引き起こす可能性がありますが、過度に厚いSEIフィルムはリチウムイオンの移動を妨げ、バッテリーの内部抵抗を増加させる可能性があります。
2.電解質の老化とインターフェイスの問題
電解質分解生成物（LIF、li₂co₃など）は電極表面に蓄積し、高インピーダンス界面層を形成します。高温または過充電条件下では、電解質の粘度が増加し、リチウムイオン輸送効率が低下します。たとえば、バッテリーが高温環境にある場合、電解質の粘度が増加し、リチウムイオンの移動速度が減速し、バッテリーの内部抵抗が増加します。
3.電流コレクターとタブの劣化
アルミニウム\/銅箔の酸化または腐食は、接触抵抗の増加につながります（高湿度環境では一般）。タブ溶接ポイントまたは材料疲労（振動下など）の仮想溶接により、局所抵抗が増加します。バッテリーの使用中、環境要因により現在のコレクターとタブが酸化または腐食を受ける可能性があり、接触抵抗の増加につながります。同時に、タブ溶接ポイントまたは材料疲労の仮想溶接も局所抵抗を増加させる可能性があります。
（ii）プロセス欠陥の重ね合わせ効果
1.電極シートの自由なコーティング
面積密度の変動（±5％以上）は、不均一な電流分布と局所偏光耐性の大幅な増加につながります。電極シートのコーティングが不均一である場合、バッテリー内の不均一な電流分布が発生し、特定の領域が過度に高い電流密度を持ち、それにより局所偏光抵抗が増加します。
2.スタッキング\/巻線プロセスのエラー
電極シートの不整合により、エッジバリの接触が発生し、マイクロショートサーキットのリスクと追加のインピーダンスが増加します。バッテリーの製造中、スタッキングまたは巻線プロセスにエラーがある場合、電極シートの不整合を引き起こし、エッジバール接触を引き起こし、マイクロショート回路のリスクと追加のインピーダンスを増加させる可能性があります。
3.不十分な電解質注入と濡れ
電解質は、イオンチャネルをブロックして、分離器の細孔（湿潤度未満の度<90％）に完全に浸透しません。電解質が分離器の細孔に完全に浸透しない場合、イオンチャネルをブロックし、リチウムイオンの移動速度を遅くし、バッテリーの内部抵抗を増加させます。
（iii）使用環境と動作条件の影響
1.低温環境
電解質のイオン導電率は50％以上減少し、オーム耐性と偏光耐性の両方が増加します。低温環境では、電解質のイオン導電率が大幅に低下し、バッテリー抵抗性と偏光耐性の増加につながります。
2.高額の充電と放電
濃度偏光が強化され、電圧プラットフォームが崩壊し、効果的な内部抵抗が20％- 40％増加します。バッテリーが高速充電と放電を受けると、電極表面付近のイオン濃度が急速に変化し、濃度偏光が強化され、バッテリーの効果的な内部抵抗が増加します。
3.長期サイクリング老化
活性リチウム損失や電極の多孔度の減少などの累積効果により、年間内部抵抗成長率は5％を超えます。バッテリーの長期サイクリング中に、アクティブリチウムが徐々に枯渇し、電極の多孔度も減少します。これらの累積効果は、5％を超える年間内部抵抗成長率につながります。
（iv）短絡によって引き起こされる局所的な過熱と構造的損傷
1.ローカルの過熱
短絡中に生成される大きな電流は、バッテリー内の局所温度が急激に上昇します。高温は、電解質分解や電極材料構造の変化など、バッテリー内部材料の分解を促進し、内部抵抗をさらに増加させます。たとえば、バッテリーが短絡を経験すると、短絡の位置が大量の熱を生成し、局所温度を上昇させ、電解質分解を引き起こし、高インピーダンス界面層を形成し、バッテリーの内部抵抗を増加させます。
2.構造的損傷
短絡中に生成される巨大な電流と熱は、分離器の融解や電極の材料の変形など、バッテリー内の構造的損傷につながる可能性があります。これらの構造的損傷は、バッテリーのイオンおよび電子輸送チャネルに直接影響し、内部抵抗が大幅に増加します。たとえば、短絡中に生成される高温は、分離器を溶かす可能性があり、正と負の電極の間に直接接触し、より大きな短絡電流を形成し、電極材料の構造を損傷し、バッテリーの内部抵抗を増加させます。
IV。結論
短絡中のリチウム電池の内部抵抗の原因は、材料レベルの根本原因、プロセス欠陥の重ね合わせ効果、使用環境の影響と動作条件の影響、および短絡による局所的な過熱および構造的損傷など、多面的です。これらの要因は互いに相互作用し、総称して短絡中のリチウム電池の内部抵抗の増加をもたらします。これらの原因を理解することは、リチウム電池の設計、製造、使用、およびメンテナンスにとって非常に重要です。バッテリーの設計段階では、適切な材料を選択し、バッテリーの内部抵抗を減らすために最適化されたプロセスパラメーターを選択する必要があります。バッテリーの使用中、バッテリーは、高温、低温、高湿度などの過酷な使用環境から遠ざけてください。バッテリーの充電および放電速度は、バッテリーサービスの寿命を延ばし、バッテリーの安全性を確保するために合理的に制御する必要があります。同時に、すでに短絡を経験しているバッテリーの場合、より深刻な安全性の問題を引き起こすことを避けるために、タイムリーな治療を実施する必要があります。将来の研究では、短絡中のリチウム電池の内部抵抗の増加のメカニズムをさらに掘り下げ、リチウムバッテリーの性能と安全性を向上させるためのより効果的なバッテリー管理と保護技術を開発する必要があります。