鋰離子電池工作原理和鋰電池衰減的原因有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-11-28 00:41
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鋰離子電池是繼鎘鎳、氫鎳電池之后發(fā)展最快的二次電池。使用過的用戶應該都知道鋰電池在使用一段時間之后容量會縮減。本文總結(jié)并分析了鋰離子電池的工作原理、容量衰減的可能原因，希望能幫上你們。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。
鋰電池放電是靠化學的氧化還原反應。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池產(chǎn)生電量。
在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子（Li）充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學反應，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學反應。
鋰電池容量衰減的原因
鋰電池是繼鎘鎳電池、氫鎳電池之后發(fā)展最快的二次電池.鋰離子電池的應用很大程度取決于其充放電循環(huán)的穩(wěn)定性,和其它二次電池一樣,鋰離子電池在循環(huán)過程中容量衰減是不可避免的。
1、正極材料的結(jié)構變化
正極材料是鋰離子電池的主要來源，當鋰電池從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會被氧化到達一個高的氧化態(tài)，這里就伴隨了組分的轉(zhuǎn)變。組分的轉(zhuǎn)變?nèi)菀讓е孪噢D(zhuǎn)移和體相結(jié)構的變化。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，由此產(chǎn)生的誘導應力引起晶粒的破碎，并引發(fā)裂紋的傳播，造成材料的結(jié)構發(fā)生機械破壞，從而引起電化學性能衰減。
2、負極材料結(jié)構
鋰電池常用的負極材料有碳材料、鈦酸鋰等，本文以典型負極石墨進行分析。鋰電池容量的衰減第一次發(fā)生于化成階段，在這個階段會在負極表面形成SEI，消耗部分鋰離子。隨著鋰電池使用，石墨結(jié)構的變化也會造成電池容量下降。
雖然保持了石墨的形貌結(jié)構，但是其(002)晶面的半高寬變大，導致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結(jié)構的改變導致碳材料出現(xiàn)裂紋，進而破壞負極表面的SEI膜并促進SEI膜的修復，SEI膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了鋰電池的不可逆容量衰減。
3、電解液的氧化分解與界面反應
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。電解液主要包括溶劑、電解質(zhì)和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質(zhì)的分解都會導致鋰電池容量的損失。電解液的分解和副反應是鋰電池容量衰減的主要因素，無論采用何種正負極材料、何種工藝，隨著鋰電池循環(huán)使用，電解液的分解及與正負極材料間發(fā)生的界面反應都會造成容量的衰減。
4、正極過充反應
當正極活性物相對于負極活性物比例過低時，容易發(fā)生正極過充電。鋰電池正極過充導致容量損失主要是由于電化學惰性物質(zhì)(如Co3O4，Mn2O3等)的產(chǎn)生，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
在充電時正極活性物質(zhì)不穩(wěn)定會與電解質(zhì)反應造成容量降低。影響正極材料不穩(wěn)定因素有正極材料結(jié)構缺陷、炭黑含量、充電電勢過高，其中正極材料結(jié)構缺陷是影響因素中的重中之重。
隨著鋰電池的可用區(qū)域縮小，可填充的能量降低，充電時間逐漸縮短。在大多數(shù)情況下，由于周期循環(huán)和老化的原因，鋰電池容量呈線性衰減。
