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如何减少锂离子电池容量衰减?

发布时间:2023-07-21

       锂离子电池在多次充放电过程中容量存在明显的衰减,容量衰减是影响锂离子电池综合性能发挥的一大障碍。为了剖析衰减变化的根源,提高电池稳定性和良好的综合性能,本文主要从过充电、电解液的分解、电极结构变化、自放电等多方面对容量衰减的影响进行分析。

       锂离子电池容量衰减变化受诸多因素的影响。从本质上说,锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应会消耗锂离子导致电池容量衰减,若电池容量发生不可逆平衡改变,再叠加多次循环的损失,会严重影响电池综合性能。下面将从影响电池容量衰减的一些因素进行讨论和阐述。

 

锂离子电池容量衰减现象分析

 

1
负极过充反应
       在过充时,锂离子在负极表面容易还原沉积成锂,阻碍了锂的嵌入,造成容量损失和放电效率降低。原因有:(1)可循环锂量减少;(2)Li2CO3、LiF或副产物被沉积锂与溶剂或电解质反应形成;(3)隔膜的孔隙被金属锂阻塞而增大了电池内阻;(4)活性大的锂易与电解液反应造成电解液减少。在快速充电和高充电率两种情况下,大电流密度和负极极化造成锂沉积明显增强。
2
正极过充反应
      正极过充电主要在正极材料占比过低的情况下发生,导致电极间容量失衡,致使锂电池容量发生不可逆的损失,并且正极材料和电解液分解出来的氧气及可燃气体的并存和不断积累,可能会给锂电池的使用带来安全隐患。
3
电解液在高电压下发生反应
       若锂电池充电电压过高,将会导致电解液发生氧化反应,并生成部分副产物,将电极微孔堵塞,阻碍了锂离子的迁移,从而造成循环容量衰减变化。电解质浓度和电解液的稳定性的变化趋势成反比,电解质浓度越高,电解液稳定性越低,进而对锂离子电池容量产生影响。在充电过程中,电解液会发生一定消耗,因此,需要在装配时进行补充,导致电池活性材料减少,并影响电池初始容量。

 

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。总的来说,电解液和电池的正负极之间副反应的发生,以及产生的副产物,都是造成电池容量衰减的主要因素。

 

 

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。

 

电极不稳定性

       在充电时正极活性物质不稳定会与电解质反应造成容量降低。影响正极材料不稳定因素有正极材料结构缺陷、炭黑含量、充电电势过高,其中正极材料结构缺陷是影响因素中的重中之重。

 

 

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