三元材料鋰電池容量衰減的原因主要有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-11-16 10:10
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使用過的用戶應(yīng)該都知道鋰電池在使用一段時間之后容量會縮減。三元材料鋰電池的使用時間長短主要是取決于鋰電池的電容量，鋰電池電壓越高電容量越大，也就是帶負(fù)荷能力越強(qiáng)。那么，三元材料鋰電池容量為什么會衰減呢？本文存能電氣小編將展開探討。
三元材料鋰電池容量衰減的原因
●三元鋰電池正極材料的結(jié)構(gòu)變化
正極材料是鋰離子的主要來源，當(dāng)鋰離子從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會被氧化到達(dá)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?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。
KIM等對層狀LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，由于Li+(0.76)與Ni2+(0.69)有相近的離子半徑，富鎳材料較易出現(xiàn)Ni2+向Li+空穴遷移的情況，導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的無序性；體積的反復(fù)變化導(dǎo)致活性材料產(chǎn)生裂紋及孔隙，隨著循環(huán)的進(jìn)行，材料結(jié)構(gòu)逐漸由菱方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成尖晶石相，在循環(huán)初期結(jié)構(gòu)的激烈變化導(dǎo)致容量及電壓的快速衰退。
●三元鋰電池負(fù)極材料結(jié)構(gòu)
商業(yè)化鋰電池常用的負(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，在這個階段會在負(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)的變化也會造成電池容量下降。LIU[2]等研究了LiFePO4/C電池的容量衰減機(jī)制，同樣適用于三元鋰電池，研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)后的碳材料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膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了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)和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質(zhì)的分解都會導(dǎo)致電池容量的損失。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)都會造成容量的衰減。
三元材料鋰電池的優(yōu)點
三元材料因其價格低廉，性能穩(wěn)定，被稱為是鋰電池的首選材料，而以三元材料為正極的鋰電池更是具有多種優(yōu)點。
1、正極為三元鋰電池材料，負(fù)極為人造石墨與其他先進(jìn)負(fù)極材料的混合體。
2、疊片式軟包裝工藝，該結(jié)構(gòu)電流集流均勻、散熱性好、提升了電池倍率性能。
3、采用專利技術(shù)處理的隔膜，提高了三元鋰電池本體安全性，單體電池及模塊經(jīng)過跌落、擠壓、針刺、熱箱、過充過放等安全性評價試驗，滿足中國有關(guān)電池的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。
4、特殊的隔膜材料提高了隔膜的保液能力及孔隙率，減小電池內(nèi)阻。以1倍率電流充放電，放電深度為DOD80%的情況下進(jìn)行測試，3000次循環(huán)后，容量仍能保持在85%以上。
5、25Ah動力電池的重量比能量為160Wh/kg，比磷酸鐵鋰電池高30%以上，可以減輕整車重量，提高續(xù)駛里程。
6、在大電流充放電時，極化小，溫升低。電池可持續(xù)3C充電，5C放電(瞬間10C)的高輸入輸出能力。
7、合理的電解液配比與配方，三元鋰電池的放電溫度范圍為-20～45℃，充電溫度范圍為0～45℃。
8、電池一致性好。采用多項專利制造工藝，粉體的前處理技術(shù)，保證了粉體混合和漿料混合的均勻性；特殊的化成工藝，保證了三元鋰電池成膜的穩(wěn)定性。
三元材料鋰電池的缺點
安全性較差和循環(huán)壽命較短是三元鋰電池的主要短板，尤其是安全性能，是一直限制其大規(guī)模配組，和大規(guī)模集成應(yīng)用的一個主要因素。大量實測表明，容量較大的三元電池很難通過針刺和過充等安全性測試，這也是大容量電池中一般都要多引入錳元素，甚至混合錳酸鋰一起使用的原因。500次的循環(huán)壽命在鋰電池中屬于中等偏下，因此三元鋰電池目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域是3C數(shù)碼等消費類電子產(chǎn)品。
