バッテリーの自己放電を正しく理解する
電池を使用していますか、または購入していますか?バッテリーの自己放電、つまりバッテリーに蓄えられたエネルギーが、使用していないときでも減少するプロセスを理解することが重要です。
これが何を意味するか分からなくても心配しないでください。自己放電に関連するすべての側面と、それが使用にどのような影響を与えるかについて詳しく説明します。
で 今日のブログ投稿では、バッテリーの自己放電の原因について説明し、バッテリーの自己放電を延長するための適切な措置を講じるために、なぜこの現象が必要なのかを理解します。 リチウム電池のサイクル寿命 .
それでは、自己放電がどのように機能するかをより深く理解してみましょう。
バッテリーの自己放電とは何ですか?
理論的には、バッテリーは使用されていないときは相互に反応せず、電化製品がバッテリーに接続されている場合にのみ酸化還元反応が発生します。
ただし、現実の生活では、通常のバッテリー、 乾電池 (アルカリ性)、バッテリー内で化学反応が発生します。つまり、電極間に接続はなく、バッテリー内の微量の化学物質が反応します。
多くの人は、回路を電子の流れを目的の場所に導くための可能な方法の 1 つにすぎないと考えています。電解質の劣化などもありますが、 漏れ、などがありますが、最も顕著なものはバッテリー自体の化学的性質によるものです。
これらの内部反応によりバッテリーの蓄電量が減少し、徐々に充電量が減少します。 バッテリーの容量。この現象を自己放電といいます。
バッテリーの自己放電の主な原因
(1) 3つのポイント
- 後に バッテリーが長期間保管されている硫酸が沈下すると上下の極板間に電位差が生じ、電池から溢れた電解液が電池蓋の表面に溜まり、プラスとマイナスの極性がチャンネルとなって自己放電が発生します。 。
- 電解質および電池極板の材料は不純物であり、不純物と極板の間、および極板に堆積した異なる不純物間に電位差が形成され、電解液を介して部分放電が発生します。
- の 電池の活物質 極板が脱落し、下層の堆積物が多すぎると、極板と電池電解液の上下層が短絡し、自己放電が発生します。
(2) 物理的要因
なぜ サーキットブレーカーに置かれたバッテリーの充電が失われる?物理的要因としては、主に電池内部の電気化学物質の損失や内部短絡などが挙げられます。
バッテリー材料の損失は不可逆的であり、バッテリー容量の損失を引き起こしますが、損失とは容量回復性能の具体化を指します。たとえば、短絡によって引き起こされる電力損失は現在の電力を消費しますが、容量はこの部分の反応によって影響を受けません。
容量損失（不可逆）と単純電力損失（可逆）の和が自己放電量となります。
- 電気化学材料の副反応
材料の副反応は主に、正極材料、負極材料、電解質の 3 つの側面で発生します。
| 材料 | 材料の副反応 |
| 正極材料 | それは主にさまざまなリチウム化合物であり、常に電解質とわずかに反応し、反応の程度は環境条件によって異なります。
正極材料は電解質と反応して不溶性生成物を形成し、その反応は不可逆的になります。 反応に関与した正極材料は元の構造を失い、 バッテリーは対応する電力と永続的な容量を失います. |
| ネガティブマテリアル | グラファイト負極は本質的に電解質と反応する能力を持っています。結合プロセス中に、反応生成物の SEI フィルムが電極の表面に付着し、電極と電解質の間の激しい反応が停止します。
ただし、SEI膜の欠陥により、この反応も微量ながら進行します。 電解液と負極の間の反応は、エネルギーを消費するだけでなく、 リチウムイオンは電解液中に存在しますが、電解液中の負極材料も消費します。つまり、電解質と負極の間の反応によって生成される電気エネルギーの損失は、バッテリーの最大利用可能容量の損失にもつながります。 |
| 電解質 | 正極および負極と反応することに加えて、正極および負極の材料中の不純物、さらには材料自体中の不純物とも反応します。
これらの反応はすべて、利用可能な容量の損失の原因となる Li イオンの減少につながる不可逆生成物を生成します。 |
- 私内部短絡
電池の製造工程においては、どうしても不純物が混入してしまいます。これらの不純物の一部は、正極と負極のわずかな伝導を引き起こし、電荷を中和して電源に損傷を与える可能性があります。
また、集電体の寸法誤差や加工バリによっても正負極が回転してしまいます。早い段階で バッテリーの寿命 サイクル中は自己放電が少なくなりますが、時間が経つとバッテリーに大規模な短絡が発生する可能性が高くなります。
したがって、厳密な実験室環境と適切な湿度レベルの下で定期的に電池の自己放電特性試験実験を行う必要があります。
- SEI膜の欠陥
SEI膜の本来の役割は、電子が通れないプラス極とマイナス極を隔離することですが、膜の品質に問題があると電池の膨張や電圧低下などの原因となり、正常に機能しません。小さな欠陥であっても、自己放電率に大きな影響を与える可能性があります。
そして、 バッテリーのリサイクル時間 増加し続けると、SEI フィルムの均一性と密度が変化します。経年劣化した SEI フィルムは、負極を保護する際にその欠点が徐々に露呈し、負極と電解液の接触が増加し、副反応が増加しました。
さらに、SEI フィルムの品質が異なると、電池の初期使用時の自己放電率も異なります。
自己放電を低減する方法の 1 つは、SEI 膜の品質を向上させる添加剤を添加することです。
(3) 目標要因
バッテリーの自己放電率は使用環境、使用段階、使用状態によって異なります。
- 温度
周囲温度が高くなるほど、電気化学材料の活性も高くなります。カソード材料、アノード材料、および電解質が関与する反応はより激しくなり、同時に大きな容量損失を引き起こします。
- 充電
特に研究者らは、自己放電率に対する充電の影響を比較しました。一般的な傾向として、充電量が高くなるほど、自己放電率も高くなります。
要約すると、電荷が高くなるほど、正の電位は高くなり、負の電位は低くなります。したがって、正極の酸化力が強いほど負極性も強くなり、副反応も強くなります。
- 時間
同じ電力と容量の損失の場合、時間が長いほど損失は大きくなります。ただし、自己放電率は、さまざまなバッテリーを比較するための指標としてよく使用されます。
とはいえ、同じ前提の下では、時間は自己放電の程度に影響を与える要因であるように見えます。
自己放電率を試験する目的
自己放電率試験には一定の基準値があります。
- 自己放電率はバッテリーの品質の指標として使用します。それを国家標準に適用し、さまざまなメーカーの製品レベルを水平比較し、業界の品質をテストします。
- 細胞の選別に。の一貫性 バッテリー パックは、グループ化後のバッテリー パックの品質にとって重要なパラメーターです。細胞をグループ化するためのさまざまな方法が研究されており、同じ濃度の細胞が同じパックで使用されることが予想されます。自己放電率は、静電気スクリーニングによく使用される指標の 1 つです。
- 製品の品質管理の指標としてご利用いただけます。同じバッチのバッテリーをテストするときに、一部のバッテリーの自己放電率が高く、品質に欠陥があることを示す場合は、それらを個別に選択して処理する必要があります。
- 自己放電率は電池の劣化度合いを測定し、電池の寿命を評価する指標として使用します。
自己放電の検出方法
(1) 電圧降下方式
保管中の電圧降下率は、自己放電の大きさを特徴付けるために使用されます。この方法は操作が簡単ですが、電圧降下が容量の損失を直観的に反映できないという欠点があります。
電圧降下法は最も簡単で実用的な方法であり、現在の生産では一般的に使用されている方法です。
(2) 容量減衰法
つまり、単位時間当たりの容量減少率を表します。
(3) 自己放電電流法 Isd
充電時の自己放電電流Isdを計算します。 バッテリーストレージ 容量損失と時間の関係による。
(4) 副反応により消費されるLi+モルの計算
電池保存中の負極SEI膜の電子伝導度に対するLi+消費率の影響に基づいて、Li+消費量と保存時間の関係を導出した。
自己放電の役割をテストする
(1) 予測問題ユニット
同じバッチのリチウム電池では、材料と 製造プロセス 基本的には同じです。
単セルの自己放電が明らかに大きすぎる場合は、不純物やバリがセパレータを貫通して重大な微小短絡が発生する可能性があります。
この種の電池の性能は、短期的には通常の電池とあまり変わりませんが、長期間保管すると内部の不可逆反応が徐々に深まるため、電池の性能は工場出荷時の性能や他の通常の電池よりも大幅に低下します。パフォーマンス。
結果は、最大容量の不可逆損失が大幅に増加すること (たとえば、不可逆容量損失は 3 か月以内に 5% に達し、通常のバッテリーは 1 年以内にこの値に達します)、およびレート容量維持率 (0.5C/0.2 C、1C/0.2C）が低下し、サイクルが悪くなり、リチウムの析出が発生します。
したがって、工場出荷時の電池の品質を確保するには、自己放電の大きい電池を排除する必要があります。
ただし、自己放電バッテリーの不可逆的な容量損失は大きいため、バッテリーの少なくとも 4 分の 1 を装着すると容量を回復できます。著しく容量が低下しなければ使用可能です。
(2) バッテリーパック
組み立てる必要があるバッテリーの場合、K 値 ( リチウム電池 業界では、単位時間あたりのバッテリーの電圧降下を指します）は重要な指標です。
バッテリーパックを組み立てると、 バッテリーパック、セルの自己放電の違いにより、パック内のセルのバランスが崩れます。バッテリー内部に漏れ電流経路がある場合にも、自己放電が発生する可能性があります。
微粒子汚染と樹状突起の成長により、バッテリー内に「マイクロショート」が発生し、漏れ電流経路が形成され、 バッテリーにつながる 失敗。したがって、 過度に自己放電するバッテリーは故障の可能性を示します.
K 値を測定および計算するプロセスでは、異なる初期電圧の下での自己放電レベルに明らかな違いがあるため、バッテリーの一次電圧が狭い範囲内にあることを確認し、より良い一次電圧を確保する必要があります。範囲はバッテリー工場自体の工場出荷時の電圧です。
(3) バッテリーの工場出荷時の電圧と容量を設定するのに役立ちます。
お客様の中にはこのようなご要望をお持ちの方もいらっしゃいますが、 バッテリー 60% の容量で顧客に出荷する必要があります。このとき、バッテリーの工場出荷時の電圧や容量を決定するには、輸送中のバッテリーの自己放電の程度を評価する必要があります。
さらに、プロセス、材料、エネルギー貯蔵段階の違いにより、この問題には別の実験が必要であり、他の実験のデータを単純に適用することはできません。
一般的なバッテリーの自己放電解析
自己放電は、電解液中の正極材料の溶解度および加熱後の不安定性（自己分解しやすい）に関係します。充電式電池の自己放電は一次電池よりもはるかに高くなります。
さらに、バッテリーの種類が異なると、月ごとの自己放電率も異なります。一次電池の自己放電は大幅に減少し、室温で年間 2% を超えません。
保存中に自己放電が起こると、電池の内部抵抗が増加し、電池の負荷容量が低下します。放電電流が大きい場合、エネルギー損失は明らかです。
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一般的なバッテリーの自己放電率 |
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| バッテリーシステム | 自己放電または寿命 |
| 亜鉛炭素 | 2～3年の寿命 |
| リチウム金属 | 5年で10% |
| 鉛酸 | 4-6%/月 |
| ニッケルカドミウム合金 | 15-20%/月 |
| アルカリ性 | 2-3%/月 |
| リチウムイオン | 1～5%/月 |
(1) リチウムイオン電池
リチウムイオン電池で起こる自己放電反応は非常に複雑です。リチウムイオン電池の自己放電率は一般的に1ヶ月あたり2%～5%で、室温では5%～8%です。
バッテリー内部で不可逆反応が発生すると、主に次のような不可逆的な容量損失が発生します。
正極材料と電解質間の不可逆反応
これは主に、マンガン酸リチウムやニッケル酸リチウムなど、構造欠陥を起こしやすい 2 つの材料で発生します。たとえば、マンガン酸リチウム正極と電解質中のリチウムイオンの反応: liymn2o4xlixe-→lithium xMn2O4。
陽極材料と電解質間の不可逆反応
リチウムイオン電池の SEI フィルムは、負極を電解質の腐食から保護するために使用されます。負極と電解質の間の可能な反応は、LiyC6→Liy-xC6 xLi xe- です。
電解質中の不純物によって引き起こされる不可逆反応
例えば、2つの溶媒中のCOの反応：2CO2 2e-2Li → 炭酸リチウム、2つの溶媒中のOの反応：1/2O2 2e 2Li。これらの反応は不可逆的に消費されます。 リチウムイオン 電解液に溶解し、バッテリー容量の低下につながります。
（２）鉛蓄電池
鉛電極の自己放電は酸素発生と酸素吸収腐食により発生します。硫酸中の酸素の溶解度は小さく除去可能であり、電解液中の水素イオン濃度が高いため、酸素発生による自己放電現象は非常に顕著です。
鉛バランス電極は水素電極より電位が低く、水素の酸素発生過電位が高いため、酸素発生反応は明らかではありません。鉛の純度が高く、不純物が少ないと、酸素発生腐食は軽くなり、自己放電も自然に小さくなります。
（３）ニッケルカドミウム電池
完全に充電された酸化ニッケル電極の場合、不安定な二酸化マンガンの存在により保管中に酸素発生反応 (OER) が発生し、自己放電を引き起こす可能性があります。
一方では、カドミウムの負極は電解液中で非常に安定しているため、ニッケルカドミウム電池の自己放電率は非常に小さいです。一方、高率放電ニッケルカドミウム電池の電極表面積は大きく、自己放電率も大きくなります。
（4）ニッケル水素電池
他の電池と同様に、ニッケル水素電池も自己放電が発生します。高電圧ニッケル水素電池の装置は電池ケース全体に水素を充填し、負極の電気活性物質が正極の電気活性物質である酸化ニッケルと直接接触することで、保管中に自己放電が発生します。
要約する
バッテリーは自己放電を起こします。これは生産ラインの問題ではなく、バッテリーの特性です。
不適切な製造方法や取り扱いによっても問題が悪化する可能性があります。自己放電は永久的で元に戻すことはできないということを知っておく必要があります。自己放電を減らすには、セルやバッテリーを低温で保管することをお勧めします。
ハーベイパウ - トップ lifepo4 バッテリーメーカー 当社は、一流のエネルギー貯蔵バッテリーの開発に注力しており、高水準、高性能、高環境保護の概念を厳格に実践しています。 パワーウォールバッテリー 自己放電率は 1 か月あたり 2% と低くなっています。
その他のよくある質問
(1) バッテリーが放電する原因は何ですか?
短絡により、過剰な電流が引き出され、バッテリーが消耗する可能性があります。オルタネーター ベルトの緩みや摩耗、電気的障害 (ワイヤーの緩み、断線、断線)、またはオルタネーターの故障がないか、充電システムを確認します。
エンジンの誤動作は、クランキング中にバッテリーが過度に放電する原因にもなります。
(2) バッテリーの自己放電とは？
バッテリーの自己放電: 完全に正常です。
電池は電池内部の化学反応によって発電するため、電池の容量は時間の経過とともに徐々に減少します。この現象は自己放電と呼ばれます。 バッテリーの自己放電は完全には回復できない 避けられました。しかし、適切な バッテリーメンテナンスバッテリーの自己放電を軽減できます。
(3) 自己放電率が最も高いバッテリーは?
一般的な Ni/Cd および Ni/MH バッテリの自己放電率は、1 か月あたり最大 25% です。
通常、NiCd バッテリーは現場で使用する前に充電する必要があるため、ユーザーにとっては大きな物流上の問題となります。 鉛蓄電池とニッケルカドミウム電池 すぐに充電が切れてしまいます。
(4) バッテリーの自己放電率の計算方法は?
最も簡単な方法は、バッテリーを充電し、開放電圧（OCV）を測定し、何も接続せずに放置することです。 後でバッテリーを充電すると、バッテリーのOCVが低下していることに気付くでしょう。これは、バッテリーの充電状態が低いことを示しています。 (SoC) この SOC の差がバッテリーの自己放電率です。
(5) は バッテリーの電力がなくなる 使用していないときは?
正常なバッテリーでは、イオンはカソードとアノードの間を自由に流れます。バッテリーは使用しなくても劣化します。完全に 充電されたリチウムイオン電池 通常の保管では 1 年で約 20% の容量が失われます。