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探究锂电池容量逐渐下降的原因

2024-03-28 16:38:52 来源:科研云平台
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简介:随着科技的飞速发展,锂离子电池已经成为了移动设备和电动汽车等领域的主流能源储存技术。然而,锂离子电池容量衰减问题一直以来都存在着,这限制了电池的使用寿命和性能。锂电池容量为何会衰减?一起来看看。
随着科技的飞速发展,锂离子电池已经成为了移动设备和电动汽车等领域的主流能源储存技术。然而,锂离子电池容量衰减问题一直以来都存在着,这限制了电池的使用寿命和性能。锂电池容量为何会衰减?一起来看看。

锂离子电池在两个电极间发生嵌入反应时具有不同的嵌入能量,而为了得到电池的最佳性能,两个宿主电极的容量比应该保持一个平衡值。
在锂离子电池中,容量平衡表示成为正极对负极的质量比,

即:γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+

上式中C指电极的理论库仑容量,Δx、Δy分别指嵌入负极及正极的锂离子的化学计量数。从上式可以看出,两极所需要的质量比依赖于两极相应的库仑容量及其各自可逆锂离子的数目。

锂离子电池容量衰减

一般说来,较小的质量比导致负极材料的不完全利用;较大的质量比则可能由于负极被过充电而存在安全隐患。总之在最优化的质量比处,电池性能最佳。

对于理想的Li-ion电池系统,在其循环周期内容量平衡不发生改变,每次循环中的初始容量为一定值,然而实际情况却复杂得多。任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应都可能导致电池容量平衡的改变,一旦电池的容量平衡状态发生改变,这种改变就是不可逆的,并且可以通过多次循环进行累积,对电池性能产生严重影响。在锂离子电池中,除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外,还存在着大量的副反应,如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等。

01 过充电


锂离子电池


1、石墨负极的过充反应:

电池在过充时,锂离子容易还原沉积在负极表面:

Li++e-=li(s)

沉积的锂包覆在负极表面,阻塞了锂的嵌入。导致放电效率降低和容量损失,原因有:

①可循环锂量减少;

②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3,LiF 或其他产物;

③金属锂通常形成于负极与隔膜之间,可能阻塞隔膜的孔隙增大电池内阻;

④由于锂的性质很活泼,易与电解液反应而消耗电解液.从而导致放电效率降低和容量的损失。

快速充电,电流密度过大,负极严重极化,锂的沉积会更加明显。这种情况容易发生在正极活性物相对于负极活性物过量的场合。但是,在高充电率的情况下,即使正负极活性物的比例正常,也可能发生金属锂的沉积。

2、正极过充反应

当正极活性物相对于负极活性物比例过低时,容易发生正极过充电。

正极过充导致容量损失主要是由于电化学惰性物质(如Co3O4,Mn2O3 等)的产生,破坏了电极间的容量平衡,其容量损失是不可逆的。

(1)LiyCoO2

LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4+O2(g)]+yLiCoO2 y<0.4

同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应(如生成H2O)与电解液分解产生的可燃性气体同时积累,后果将不堪设想。

(2)λ-MnO2

锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂的状态下:λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3、电解液在过充时氧化反应

当压高于4.5V 时电解液就会氧化生成不溶物(如Li2Co3)和气体,这些不溶物会堵塞在电极的微孔里面阻碍锂离子的迁移而造成循环过程中容量损失。

影响氧化速率因素:

正极材料表面积大小

集电体材料

所添加的导电剂(炭黑等)


炭黑的种类及表面积大小

在目前较常用电解液中,EC/DMC被认为是具有最高的耐氧化能力。溶液的电化学氧化过程一般表示为:溶液→氧化产物(气体、溶液及固体物质)+ne-

任何溶剂的氧化都会使电解质浓度升高,电解液稳定性下降,最终影响电池的容量。假设每次充电时都消耗一小部分电解液,那么在电池装配时就需要更多的电解液。对于恒定的容器来说,这就意味着装入更少量的活性物质,这样会造成初始容量的下降。此外,若产生固体产物,则会在电极表面形成钝化膜,这将引起电池极化增大而降低电池的输出电压。

02 电解液分解

电解液分解

电解液包括电解质、溶剂和添加剂,其性质会对电池的使用年限、比容量、倍率充放电性能和安全性能等产生影响。电解液中电解质和溶剂的分解都会引起电池容量发生损失。在首次充放电时,溶剂等物质在负极表面生成SEI膜会形成不可逆的容量损失,但这是必然情况。

若电解液中存在水或氟化氢等杂质时,可能会使电解质LiPF6在温度较高的情况下发生分解,并且生成的产物与正极材料反应,导致电池容量受到影响。同时,部分产物还会与溶剂发生反应,并对负极表面的 SEI膜的稳定性造成影响,会造成锂离子电池性能衰减。除此之外,若电解液分解的产物不与电解液相容,将会在迁移过程中阻塞正极孔隙,从而导致电池容量衰减。

03 自放电

锂离子电池自放电

锂离子电池在一般情况下,会发生容量损耗现象,这一过程被称为自放电,分为可逆容量损失和不可逆容量损失。溶剂氧化速率对自放电速率产生直接影响,正负极活性材料可能在充电过程中和溶质发生反应,导致锂离子迁移完成容量失衡及不可逆衰减,因此,可以看出减少活性材料表面积可以降低容量损失速率,且溶剂的分解会影响电池贮存寿命。另外,隔膜漏电也会导致容量损失,但这种可能性较低。自放电现象若长期存在,会导致金属锂沉积并进一步导致正负极容量的衰减变化。

04 电极不稳定性

充电过程中,电池正极的活性材料不稳定,会导致其与电解质发生反应,并影响电池容量。其中,正极材料结构缺陷、充电电势过高、炭黑含量都是影响电池容量的主要因素。

虽然目前锂离子电池容量衰减问题还没有完全解决,但相信在不久的未来,随着科学技术的进步和新兴电池技术的发展,这个问题将会得到解决。这将推动电动汽车、移动设备等行业的发展,实现更长久、可靠的能源储存技术。


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