鋰離子電池工作原理及保養(yǎng)方法有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-17 10:52
點(diǎn)擊量：次
鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。
一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿。
鋰離子電池中電解液為酯類溶劑體系，反應(yīng)活性比較高，因此不適合金屬鋰電池，而醚類溶劑則相對(duì)比較穩(wěn)定，研究表明醚類電解液能夠很好的抑制金屬鋰枝晶的生長(zhǎng)。除了溶劑體系外，鋰鹽的選擇也對(duì)金屬鋰負(fù)極的性能有著顯著的影響，例如高濃度的LiFSI能夠顯著的提升鋰金屬電池的庫(kù)倫效率。
能夠注意到醚類電解液的低溫電導(dǎo)率要明顯低于碳酸酯類電解液，同時(shí)我們還注意到兩種不同濃度的LiFSI電解液的電導(dǎo)率曲線上有一個(gè)突變點(diǎn)，這主要是因?yàn)樵跍囟冉档偷倪^程中LiFSI沉淀析出導(dǎo)致的，但是如果我們?cè)陔娊庖禾砑覮iTFSI后就能夠有效的抑制LiFSI的沉淀現(xiàn)象。
我們能夠看到金屬鋰負(fù)極在碳酸酯類電解液中非常不穩(wěn)定，首次效率僅為54.7%，經(jīng)過85次循環(huán)后庫(kù)倫效率才逐漸提高到80%，表明金屬鋰在碳酸酯類電解液中穩(wěn)定較差，副反應(yīng)較多從而嚴(yán)重影響金屬鋰負(fù)極的循環(huán)性能。而在醚類電解液中金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性則要好的多，不僅首次效率顯著提高，在隨后的循環(huán)中電池的充放電庫(kù)倫效率也很快達(dá)到了98.2%（SSEE電解液）和97.9%（BSEE電解液）并穩(wěn)定循環(huán)了200次。
由于金屬鋰是一種非?；顫姷慕饘伲哂蟹浅?qiáng)的還原能力，因此金屬鋰在沉積過程中的致密度就非常關(guān)鍵，更加致密的結(jié)構(gòu)能夠有效的減少金屬鋰與電解液之間的接觸面積，減少副反應(yīng)的發(fā)生，對(duì)于提升庫(kù)倫效率和循環(huán)壽命都有積極的影響。下圖為金屬鋰在幾種不同電解液中的沉積的表面形貌，從下圖a中能夠看到在碳酸酯類電解液中沉積的金屬鋰存在大量的枝晶，金屬鋰呈現(xiàn)非常疏松的堆積狀態(tài)，而采用高濃度醚類電解液的金屬鋰顆粒比較大，沉積層也更加致密。對(duì)沉積層的截面觀測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)，在碳酸酯類電解液中沉積的金屬鋰層中存在大量的孔隙（下圖d），而在SSEE電解液中，金屬鋰沉積層主要由大顆粒的金屬鋰組成，并且沉積層中的孔隙也顯著減少（下圖e），而在采用雙鋰鹽的BSEE電解液中，金屬鋰沉積層的結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步優(yōu)化，金屬鋰沉積層中沒有見到明顯的孔隙。這表明高濃度的醚類電解液能夠有效的抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，而采用雙鋰鹽醚類電解液則能夠進(jìn)一步改善金屬鋰沉積層的結(jié)構(gòu)。
低溫透射電鏡技術(shù)是近年來興起的一種觀測(cè)技術(shù)，在極低的溫度下能夠最大限度的避免被觀測(cè)材料被電子束破壞，因此這也讓原位觀測(cè)鋰枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)成為了可能。從下圖能a能夠看到在普通的碳酸酯類電解液中金屬鋰沉積會(huì)形成條狀結(jié)構(gòu)，無序的生長(zhǎng)的鋰枝晶在沉積層內(nèi)產(chǎn)生了大量的孔隙，而在SSEE電解液中，金屬鋰沉積層主要是由鋰枝晶和鋰納米片組成，而在BSEE電解液中，金屬鋰沉積層則完全是由無定形的鋰納米片結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
為了分析電解液對(duì)于金屬鋰沉積行為的影響，Judith Alvarado采用密度函數(shù)的方法對(duì)于金屬鋰在BSEE電解液（LiSFI+LiTSFI，溶劑DME）中的沉積行為進(jìn)行了研究，計(jì)算顯示在金屬鋰表面的首先發(fā)生的反應(yīng)是LiFSI的還原和分解，然后才發(fā)生LiTFSI的分解。雖然LiTFSI分解反應(yīng)比較滯后，但是在電解液中LiTFSI能夠吸引負(fù)極表面的電子，并將LiFSI從負(fù)極表面擠走，減緩LiFSI分解速度，從而在金屬鋰的表面形成一層更加均勻和更加穩(wěn)定的SEI膜，有利于金屬鋰電池循環(huán)性能的提升。
