Litiumioniakkujen vikaantuminen kuluttajaelekroniikkalaitteissa

Abstract

Litiumioniakut ovat nykyään hyvin yleisiä kuluttajaelektroniikassa hyvän energiatiheyden, latausnopeuden ja muiden ominaisuuksien takia. Litiumioniakkuihin ja muihin energiavarastoihin liittyy aina riski vikaantua. Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuustutkimuksella litiumioniakun yleiset vikaantumismekanismit ja vikaantumistekijät.

Litiumioniakut koostuvat kahdesta elektrodista: anodista ja katodista, sekä niiden välisestä separaattorista. Lisäksi akussa on elektrolyytti, SEI-kerros sekä virtakollektorit. SEI-kerros muodostuu litiumioniakun ensimmäisellä latauskerralla elektrolyytin ja anodin väliin, kun anodimateriaali pääsee reagoimaan elektrolyytin kanssa. Se on tärkeä komponentti akun vikaantumisen ja suorituskyvyn kannalta.

Litiumioniakku voi vikaantua useilla eri tavoilla. Tässä työssä perehdytään kahteen vikaantumiseen: lämpökarkaamiseen ja akun pullistumiseen. Lämpökarkaamisella tarkoitetaan reaktiota, jossa akun lämmöntuotto ja lämpötila kasvavat holtittomasti. Lämpötilan ja sisäisen paineen nousu voi lopulta johtaa akun palamiseen tai jopa räjähtämiseen. Yleisin syy lämpökarkaamiseen on akun korkea lämpötila, joka käynnistää lämpökarkaamisen reaktiot. Korkean lämpötilan usein aiheuttaa akun sisäinen oikosulku, joka voi syntyä, jos litiumioniakkua yliladataan, lävistetään tai muuten käytetään väärin. Akun pullistumisen aiheuttaa akun sisälle muodostuneet kaasut. Ne voivat syntyä useista eri syistä, mutta yleisin syy on elektrolyytin hajoaminen ja siitä syntyvä kaasu. Litiumioniakuissa on turvaominaisuuksia, jotka pyrkivät estämään vikaantumiset ja pitämään litiumioniakkujen käytön turvallisena.

Lithium-ion batteries are very common in consumer electronics today due to their good energy density, charging speed and other features. Lithium-ion batteries and other energy stores always have a risk of failure. The aim of this thesis is to determine failure mechanisms and failure factors of the lithium-ion battery.

The components of a lithium-ion battery are anode and cathode and between them is the separator. Also, the battery contains an electrolyte, SEI layer and current collectors. The SEI layer is formed on the first charge of the lithium-ion battery between electrolyte and anode when the anode material reacts with the electrolyte. It is an important component of battery as it affects the performance of the battery and can prevent it from failure.

In this thesis the focus is on thermal runaway and battery swelling. Thermal runaway is a reaction in which heat output and temperature of the battery increase uncontrollably. An increase temperature and internal pressure can eventually lead to the battery burning or exploding. The most common reason for thermal runaway is high temperature of the battery, which triggers a series of reactions that can lead to thermal runaway. High temperatures are often caused by an internal short circuit in the battery, which can occur if the lithium ion battery is overcharged, punctured or otherwise misused. Battery swelling is caused by gases formed inside the battery. They can occur for a variety of reasons, but the most common cause is electrolyte degradation. Lithium-ion batteries have safety features that try to prevent failures and keep batteries safe from malfunction.