鋰離子電池容量損失原因

黎彩蓮

摘 要：基于對(duì)鋰離子電池容量損失原因進(jìn)行分析，通過過充電、電解液分解、自放電以及電極不穩(wěn)定性這幾個(gè)主要造成鋰離子電池容量出現(xiàn)損失的原因進(jìn)行分析，進(jìn)而使得鋰離子電池的使用壽命得到提升，并且為我國的各個(gè)行業(yè)更好的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;容量損失;原因

引言

在我國的很多領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用鋰離子電池，而其容量的損失變化情況對(duì)于人們的日常生活來說有著重要的影響，造成其容量損失變化的原因有很多。當(dāng)鋰離子從正負(fù)極上面出現(xiàn)脫嵌情況的時(shí)候就會(huì)引起氧化還原的反應(yīng)，這樣的情況就會(huì)使得鋰離子出現(xiàn)消耗的情況，然后造成鋰離子電池的容量發(fā)生損失的情況，同時(shí)還會(huì)有多次循環(huán)損失的疊加，進(jìn)而對(duì)鋰離子電池的綜合性能造成十分不利的影響，甚至還可能會(huì)產(chǎn)生安全事故。本文就鋰離子電池容量損失的原因展開相應(yīng)的分析。

1 過充電

1.1負(fù)極過充反應(yīng)

對(duì)于鋰離子電池來說，可以在負(fù)極使用的活性材料種類比較多，主要以鈦酸鋰負(fù)極材料、碳系負(fù)極材料以及錫基、硅基負(fù)極材料為主[1]。并且不同的碳材料所具備的電化學(xué)性能也是不同的，其中具備導(dǎo)電性能比較高的碳材料就是石墨，其具備結(jié)晶度高以及層狀結(jié)構(gòu)好等優(yōu)勢(shì)，在鋰的脫出和嵌入中比較適合。對(duì)于石墨材料來說，還具有著存量多和價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)，得到了比較廣泛的應(yīng)用。當(dāng)鋰離子電池首次充放電的時(shí)候，溶劑分子就會(huì)在石墨的表面產(chǎn)生分解反應(yīng)，在這個(gè)過程中會(huì)形成一種名叫SEI的鈍化膜，進(jìn)而造成鋰離子電池的容量損失。除此以外，因石墨材料的不同，影響鋰離子電池容量損失情況的機(jī)理也會(huì)不同。例如，天然石墨具有較高的比表面積，當(dāng)產(chǎn)生自放電情況的時(shí)候就會(huì)使得鋰電池的容量出現(xiàn)損失，并且在電池負(fù)極運(yùn)用天然石墨材料時(shí)要比人造石墨的電化學(xué)反應(yīng)阻抗高。同時(shí)，在循環(huán)的過程當(dāng)中負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)分離、極板制作過程中的電劑分散情況以及儲(chǔ)存過程當(dāng)中的電化學(xué)反應(yīng)的阻抗增加等原因也都是使得鋰離子電池的容量出現(xiàn)損失的重要原因。

1.2正極過充反應(yīng)

在正極材料占比比較低的情況下就會(huì)產(chǎn)生正極過充電，并且使得電極之間的容量出現(xiàn)失衡，進(jìn)而造成鋰離子電池的容量產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損失。同時(shí)，電解液及正極材料分解出來的可燃?xì)怏w和氧氣的不斷積累時(shí)，就會(huì)使得鋰離子電池在使用的過程中可能會(huì)存在安全隱患。

1.3在高電壓作用下電解液產(chǎn)生反應(yīng)

當(dāng)鋰離子電池的充電電壓過高的時(shí)候，那么就會(huì)使得電解液產(chǎn)生氧化的反應(yīng)，并且會(huì)產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物會(huì)堵塞電極微孔，使得鋰離子的遷移受到阻礙，進(jìn)而出現(xiàn)循環(huán)容量損失的情況 [2]。電解液的穩(wěn)定性和電解質(zhì)的濃度之間呈現(xiàn)出反比變化趨勢(shì)，當(dāng)電解質(zhì)的濃度越高時(shí)，電解液的穩(wěn)定性能就會(huì)越低，從而影響到鋰離子電池的容量。

2 電解液分解

對(duì)于電解液來說，主要包含添加劑、電解質(zhì)以及溶劑，電解質(zhì)的性質(zhì)會(huì)影響到電池的安全性能、使用壽命、倍率充放電性能以及比容量。在電解液當(dāng)中，溶劑和電解質(zhì)的分解都會(huì)造成鋰離子電池容量的損失。溶劑等物質(zhì)在鋰離子電池第一次充放電的時(shí)候會(huì)在負(fù)極的表面形成SEI膜，這種膜的形成會(huì)對(duì)鋰離子電池造成不可逆轉(zhuǎn)的容量損失。電解液當(dāng)中如果存在氟化氫或者是水等雜質(zhì)的時(shí)候，就很有可能會(huì)使得電解質(zhì)在較高溫度的情況下出現(xiàn)分解，然后正極的材料會(huì)和產(chǎn)生的物質(zhì)之間發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而影響到電池的容量。與此同時(shí)，溶劑還會(huì)與產(chǎn)生的部分物質(zhì)之間形成反應(yīng)，影響到負(fù)極表面SEI膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而使得鋰離子的電池的容量出現(xiàn)損失，并且使其性能衰減[3]。另外，電解液分解出來的物質(zhì)如果與電解液不相容的話，那么在遷移的過程中就使得正極的孔隙出現(xiàn)阻塞，進(jìn)而造成電池容量的損失。總體來說，電池正負(fù)極和電解液之間出現(xiàn)的副反應(yīng)以及出現(xiàn)的副產(chǎn)物都是使得鋰離子電池容量出現(xiàn)損失的主要原因。

3 自放電

當(dāng)鋰離子電池在閑置的情況下出現(xiàn)了容量損失的現(xiàn)象，那么這一現(xiàn)象就被稱之為自放電。對(duì)于鋰離子電池的自放電來說，主要分成不可逆容量損失和可逆容量損失兩種。溶劑氧化的速度會(huì)直接影響到自放電的速度，并且在充電的過程中正負(fù)極活性材料可能會(huì)與溶質(zhì)之間產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而使得鋰離子在完成遷移后出現(xiàn)容量失衡還有不可逆轉(zhuǎn)的損失。也可以看出來，活性材料的表面積減少可以使得容量損失的速率降低，同時(shí)溶劑的分解也會(huì)對(duì)電池的儲(chǔ)存壽命造成影響。除此以外還有一種造成容量損失的原因就是隔膜的孔徑，因?yàn)檫@種原因而造成的容量損失的可能性是比較低的。另外，在鋰離子電池中還會(huì)存在自放電的情況，這種情況會(huì)造成金屬鋰的沉積，進(jìn)而使得鋰離子電池的正負(fù)極容量出現(xiàn)損失的情況。

4 電極不穩(wěn)定性

4.1正極材料的溶解

以尖晶石LiMn204鋰離子電池為例，Mn的溶解可以使其發(fā)生不可逆的容量損失，這也是鋰離子電池容量損失的主要原因。Mn的溶解和沉積會(huì)減少正極活性物，并且當(dāng)其游離到負(fù)極的時(shí)候就會(huì)使得負(fù)極SEI膜出現(xiàn)不穩(wěn)定，而被破壞掉的SEI膜再次形成的時(shí)候就會(huì)使得鋰。

4.2正極材料的炭黑含量

對(duì)于炭黑來說，其屬于一種非活性物質(zhì)，對(duì)于充放電反應(yīng)并不參與。如果正極材料當(dāng)中的炭黑含量太高的話，那么就會(huì)對(duì)正極材料的容量還有強(qiáng)度造成影響，在添加的過程中一定要注意添加的含量。除此以外，在炭黑的表面?zhèn)鬏斴d體會(huì)產(chǎn)生具有催化性的物質(zhì)，這些物質(zhì)可以使得金屬離子分解的速率得到提升，并且還可以使得活性物質(zhì)的溶解加快。

5 結(jié)束語

總體來說，鋰離子電池是一種污染低并具有良好性能的綠色電池，在我國的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是鋰離子電池的使用年限會(huì)因受到過充電、電解質(zhì)分解、自發(fā)電還有電極不穩(wěn)定等原因的影響而使得電池的容量損失過快。為了使得鋰離子電池使用的年限可以提高，并且為我國各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用更好的服務(wù)，就一定要對(duì)鋰離子電池容量的損失變化情況以及形成的原因重視并深入的進(jìn)行分析，這樣才可以有效的推動(dòng)我國鋰離子電池的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 王翠玲. 鋰離子電池容量衰減變化及原因分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)， 2015， 000（005）：85-86.

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