鋰離子電池的工作原理有哪些？鋰電池衰減有哪些原因？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-05-22 10:14
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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(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。
鋰電池放電是靠化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。放電時(shí)，也就是我們?cè)谑褂秒姵叵碾娏康臅r(shí)候，它的正極會(huì)嵌入鋰離子，負(fù)極鋰離子落嵌。充電的時(shí)候正好相反。他這種離子的得失會(huì)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(guò)程中，鋰離子（Li）充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來(lái)回的移動(dòng)，與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)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(gè)循環(huán)過(guò)程中，并沒(méi)有電子在正負(fù)極之間的來(lái)回移動(dòng)，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。
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(yīng)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(guò)程中容量衰減是不可避免的。
正極材料的結(jié)構(gòu)變化
正極材料是鋰離子電池的主要來(lái)源，當(dāng)鋰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，由此產(chǎn)生的誘導(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。
負(fù)極材料結(jié)構(gòu)
鋰電池常用的負(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(guò)度生長(zhǎng)消耗活性鋰，因此造成了鋰電池的不可逆容量衰減。
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。電解液主要包括溶劑、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)致鋰電池容量的損失。電解液的分解和副反應(yīng)是鋰電池容量衰減的主要因素，無(wú)論采用何種正負(fù)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(fù)極材料間發(fā)生的界面反應(yīng)都會(huì)造成容量的衰減。
正極過(guò)充反應(yīng)
當(dāng)正極活性物相對(duì)于負(fù)極活性物比例過(guò)低時(shí)，容易發(fā)生正極過(guò)充電。鋰電池正極過(guò)充導(dǎo)致容量損失主要是由于電化學(xué)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。
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(guò)高，其中正極材料結(jié)構(gòu)缺陷是影響因素中的重中之重。
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