Tynnyriefekti akun lämmönhallinnassa
Nykyaikaisissa akkuenergian varastointijärjestelmissä (BESS) lämmönhallinta on muutakin kuin pelkkä turvallisen yleisen käyttölämpötilan ylläpitäminen. Kriittinen, mutta usein unohdettu tavoite on minimoida yksittäisten solujen lämpötilaerot saman järjestelmäpaketin sisällä. Kun lämpötilan vaihtelut solujen välillä ylittävät kohtuulliset rajat, erot yksittäisten solujen käyttäytymisessä laukaisevat väistämättä klassisen "tynnyriefektin", jossa koko järjestelmän suorituskyky sanelee sen heikoin solulinkki.
Litiumpinnoitus ja dendriitin muodostumismekanismi
Litium{0}}ioni-akkujen latausjakson aikana litiumionit siirtyvät positiivisesta elektrodista kohti negatiivista grafiittianodia. Ihannetapauksessa näiden ionien tulisi sulautua tasaisesti grafiitin kerrosrakenteeseen. Ei--ihanteellisissa käyttöolosuhteissa litiumionit eivät kuitenkaan upota itseään kunnolla. Sen sijaan ne hyväksyvät elektroneja suoraan anodin pinnalla, jolloin ne pelkistyvät metalliseksi litiumpinnoitukseksi, haitalliseksi ilmiöksi, joka tunnetaan nimellä litiumpinnoitus (Li Plating).
Kun tämä metallinen litium kerääntyy edelleen, se kasvaa epätasaisesti erillisiksi kiteisiksi muodoiksi, jotka muistuttavat puun oksia, neuloja tai viiksiä, jotka luokitellaan yhdessä litiumdendriiteiksi. Tämä hallitsematon kerääntyminen aiheuttaa vakavan vaaran. Jos dendriitti kasvaa tarpeeksi pitkäksi lävistääkseen sisäisen polymeerierottimen, se luo suoran sähköisen reitin positiiviseen elektrodiin aiheuttaen katastrofaalisen sisäisen oikosulun, joka voi laukaista lämpökarkaamisen.
Termodynaaminen epävakaus ja kineettiset rajoitukset
Litiumdendriittien kasvua säätelee termodynaamisten ja kineettisten tekijöiden yhdistelmä. Termodynaamisesta näkökulmasta prosessiin vaikuttaa voimakkaasti "kärkivaikutus". Anodin pinnalla olevat mikroskooppiset ulkonemat luovat paikallisia alueita, joilla on poikkeuksellisen korkea sähkökentän voimakkuus ja virrantiheys. Tämä paikallinen energiahuippu houkuttelee ensisijaisesti sisään tulevia litiumioneja, nopeuttaen pelkistymistä ja laskeutumista kärjissä ja luo itseään-vahvistavan dendriitin kasvun positiivisen palautesilmukan.
Kineettisestä näkökulmasta rajoitukset johtuvat yhteensopimattomista kuljetusnopeuksista ja rakenteellisista epäsäännöllisyyksistä. Kun latausvirta on liian korkea tai ympäristön lämpötila laskee liian alhaiseksi, litiumionien diffuusionopeus jää alle sähkökemiallisen reaktionopeuden, mikä johtaa vakavaan litium--ionivajeeseen rajapinnassa. Lisäksi mekaaninen heikkous, epätasainen kemiallinen koostumus ja epäyhtenäinen paksuus Solid Electrolyte Interphase (SEI) -kalvon sisällä pakottavat litiumionit ensisijaisesti tunkeutumaan heikoimpien kohtien läpi, puhkaisen SEI-kerroksen ja kiihdyttäen dendriitin etenemistä.