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為何鋰離子電池的容量會(huì)衰減?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:852次  |  2021年03月01日  

為何鋰離子電池的容量會(huì)衰減?


1、正極材料的結(jié)構(gòu)變化


正極材料是鋰離子電池的重要來(lái)源,當(dāng)鋰離子電池從正極中脫出時(shí)候,為了維持材料電中性狀態(tài),金屬元素必然會(huì)被氧化到達(dá)一個(gè)高的氧化態(tài),這里就伴隨了組分的轉(zhuǎn)變。組分的轉(zhuǎn)變?nèi)菀讓?dǎo)致相轉(zhuǎn)移和體相結(jié)構(gòu)的變化。電極材料相轉(zhuǎn)變可以引起晶格參數(shù)的變化及晶格失配,由此出現(xiàn)的誘導(dǎo)應(yīng)力引起晶粒的破碎,并引發(fā)裂紋的傳播,造成材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械破壞,從而引起電化學(xué)性能衰減。


2、負(fù)極材料結(jié)構(gòu)


鋰離子電池常用的負(fù)極材料有碳材料、鈦酸鋰等,本文以典型負(fù)極石墨進(jìn)行分析。鋰離子電池容量的衰減第一次發(fā)生于化成階段,在這個(gè)階段會(huì)在負(fù)極表面形成SEI,消耗部分鋰離子。隨著鋰離子電池使用,石墨結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)造成電池容量下降。


雖然保持了石墨的形貌結(jié)構(gòu),但是其(002)晶面的半高寬變大,導(dǎo)致c軸方向的晶粒尺寸變小,晶體結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致碳材料出現(xiàn)裂紋,進(jìn)而破壞負(fù)極表面的SEI膜并促進(jìn)SEI膜的修復(fù),SEI膜的過度生長(zhǎng)消耗活性鋰,因此造成了鋰離子電池的不可逆容量衰減。


3、電解液的氧化分解與界面反應(yīng)


電解液的性質(zhì)顯著影響鋰離子電池的比容量、壽命、倍率充放電性能、工作溫度范圍以及安全性能等。電解液重要包括溶劑、電解質(zhì)和添加劑三個(gè)部分。溶劑的分解、電解質(zhì)的分解都會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池容量的損失。電解液的分解和副反應(yīng)是鋰離子電池容量衰減的重要因素,無(wú)論采用何種正負(fù)極材料、何種工藝,隨著鋰離子電池循環(huán)使用,電解液的分解及與正負(fù)極材料間發(fā)生的界面反應(yīng)都會(huì)造成容量的衰減。


4、正極過充反應(yīng)


當(dāng)正極活性物相關(guān)于負(fù)極活性物比例過低時(shí),容易發(fā)生正極過充電。鋰離子電池正極過充導(dǎo)致容量損失重要是由于電化學(xué)惰性物質(zhì)(如Co3O4,Mn2O3等)的出現(xiàn),破壞了電極間的容量平衡,其容量損失是不可逆的。


5、電極不穩(wěn)定性


在充電時(shí)正極活性物質(zhì)不穩(wěn)定會(huì)與電解質(zhì)反應(yīng)造成容量降低。影響正極材料不穩(wěn)定因素有正極材料結(jié)構(gòu)缺陷、炭黑含量、充電電勢(shì)過高,其中正極材料結(jié)構(gòu)缺陷是影響因素中的重中之重。


從上述闡述的多種因素分析可知:影響鋰離子電池容量衰減的重要因素是正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。如何抑制材料結(jié)構(gòu)的變化提高電池的綜合性能,還有許多方面要進(jìn)一步研究和探討。


鋰離子電池壽命衰減的原因是什么?


1、鋰離子電池內(nèi)阻,尤其是極化內(nèi)阻的不一致,使得個(gè)別電池在充放電過程中電壓變化劇烈,從而導(dǎo)致整個(gè)鋰離子電池組的變化劇烈;


2、單體超薄鋰離子電池組電壓的不一致,將影響電池組的調(diào)峰能力,使得整體電池組放出的能量降低;


3、由于超薄電池工作中有放熱和吸熱過程,鋰離子電池溫度會(huì)不斷變化,當(dāng)過熱時(shí),會(huì)帶來(lái)性能下降和安全隱患,事實(shí)證明,近年發(fā)生的電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)和測(cè)試起火的導(dǎo)火索都是因?yàn)檫^溫保護(hù)不到位引起電池發(fā)熱起火的,電池類型不但有錳酸鋰,磷酸鐵鋰離子電池也是如此;


4、容量是壽命衰減最嚴(yán)重的因素,容量不一致重要引起兩個(gè)方面的性能問題,一是部分鋰離子電池會(huì)處于過充過放狀態(tài),導(dǎo)致燃燒、爆炸等不安全因素,二是低容量單體電池因?yàn)樘嵩缃Y(jié)束工作,影響到整個(gè)超薄電池組中其他單體電池的能量不能完全釋放,從而引起整個(gè)鋰離子電池組的壽命衰減。


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