鋰電池容量為什么難以準(zhǔn)確測定？容量縮水背后的真兇是什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-25 10:23
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2018年中國新能源汽車產(chǎn)銷量逆勢增長60%首次突破120萬輛，保有量更是達(dá)到了220萬輛以上，動力電池的裝機(jī)量也達(dá)到了56GWh以上。在我們?yōu)樾履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)快速發(fā)展歡欣鼓舞的同時，我們還必須面對新能源汽車逐漸進(jìn)入報廢期后，龐大數(shù)量的動力電池的回收處理問題。退役的動力電池繼續(xù)應(yīng)用在儲能等領(lǐng)域能夠有效的發(fā)掘動力電池價值，這也就是我們常說的梯次利用，然而有的鋰離子電池在壽命衰降到80%以下后會發(fā)生容量跳水的現(xiàn)象，因此要滿足鋰離子電池梯次利用的需求就要首先解決壽命末期的動力電池容量跳水的現(xiàn)象。
關(guān)于鋰離子電池容量跳水現(xiàn)象大量的研究表明，循環(huán)過程中鋰離子電池的可逆容量突然跳水往往是由負(fù)極表面析Li造成的。德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所的TobiasC.Bach（第一作者，通訊作者）等人【1】對圓柱形鋰離子電池在循環(huán)過程的容量跳水現(xiàn)象進(jìn)行了研究，結(jié)果表明電芯內(nèi)部壓力的不均勻分布是造成鋰離子電池在壽命末期容量跳水的關(guān)鍵因素。
鋰離子電池根據(jù)外形結(jié)構(gòu)可以分為軟包和硬殼兩大類，硬殼結(jié)構(gòu)中電芯會承受一定的壓力，而這種機(jī)械壓力會對鋰離子電池的阻抗等產(chǎn)生顯著的影響【2】，壓力過大或者過小都不利于鋰離子電池性能的提升，而實際使用中電芯內(nèi)部受到的壓力還存在不均勻性，這會進(jìn)一步導(dǎo)致電流分布的不運行，從而加速鋰離子電池的衰降。
實驗中采用的電池為來自E-OneMoliEnergy的IHR18650A電池，正極材料為NCM材料，負(fù)極為石墨材料，作者分別研究三種電池，電池A未經(jīng)過循環(huán)，電池B在發(fā)生容量跳水階段，電池C在容量跳水后。下圖為三種電池的XRD衍射圖譜，從圖中能夠看到盡管C電池發(fā)生了嚴(yán)重的容量衰降，但是NCM的晶體結(jié)構(gòu)仍然沒有發(fā)生大的改變。
雖然從XRD圖中看NCM材料的晶體結(jié)構(gòu)變化不大，但是我們計算材料的晶格參數(shù)a和c后發(fā)現(xiàn)，電池A、B和C中Li的含量卻存在顯著的不同（如下圖所示），從下圖中我們能夠注意到電池A活性Li的損失最小，電池B的Li損失明顯增多，而電池C的Li損失最大。
相比于正極，負(fù)極在壽命衰降中的變化更加明顯，從下圖A、B和C三種電池完全放電后的負(fù)極形貌能夠發(fā)現(xiàn)，沒有經(jīng)過循環(huán)的電池A負(fù)極完全呈現(xiàn)黑色（石墨材料的顏色），而即將容量跳水的電池B的負(fù)極的中間位置則出現(xiàn)了部分的析Li現(xiàn)象，而容量跳水后的電池C負(fù)極表面更是出現(xiàn)了大面積的析Li現(xiàn)象。作者分析了A、B和C三只電池負(fù)極中的含Li量發(fā)現(xiàn)，在電池A的負(fù)極僅含有0.25mAh/cm2的Li，但是在電池B中負(fù)極中的含Li量就達(dá)到了0.55mAh/cm2，而在電池C的負(fù)極中黑色部分負(fù)極的含Li量為0.85mAh/cm2，在析Li部分的負(fù)極的含Li量則達(dá)到了1.87mAh/cm2，這表明大量失去活性的Li沉積在負(fù)極是造成電池容量跳水的主要因素。
關(guān)于鋰離子電池容量跳水現(xiàn)象大量的研究表明，循環(huán)過程中鋰離子電池的可逆容量突然跳水往往是由負(fù)極表面析Li造成的。德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所的TobiasC.Bach（第一作者，通訊作者）等人【1】對圓柱形鋰離子電池在循環(huán)過程的容量跳水現(xiàn)象進(jìn)行了研究，結(jié)果表明電芯內(nèi)部壓力的不均勻分布是造成鋰離子電池在壽命末期容量跳水的關(guān)鍵因素。
鋰離子電池根據(jù)外形結(jié)構(gòu)可以分為軟包和硬殼兩大類，硬殼結(jié)構(gòu)中電芯會承受一定的壓力，而這種機(jī)械壓力會對鋰離子電池的阻抗等產(chǎn)生顯著的影響【2】，壓力過大或者過小都不利于鋰離子電池性能的提升，而實際使用中電芯內(nèi)部受到的壓力還存在不均勻性，這會進(jìn)一步導(dǎo)致電流分布的不運行，從而加速鋰離子電池的衰降。
實驗中采用的電池為來自E-OneMoliEnergy的IHR18650A電池，正極材料為NCM材料，負(fù)極為石墨材料，作者分別研究三種電池，電池A未經(jīng)過循環(huán)，電池B在發(fā)生容量跳水階段，電池C在容量跳水后。下圖為三種電池的XRD衍射圖譜，從圖中能夠看到盡管C電池發(fā)生了嚴(yán)重的容量衰降，但是NCM的晶體結(jié)構(gòu)仍然沒有發(fā)生大的改變。
雖然從XRD圖中看NCM材料的晶體結(jié)構(gòu)變化不大，但是我們計算材料的晶格參數(shù)a和c后發(fā)現(xiàn)，電池A、B和C中Li的含量卻存在顯著的不同（如下圖所示），從下圖中我們能夠注意到電池A活性Li的損失最小，電池B的Li損失明顯增多，而電池C的Li損失最大。
相比于正極，負(fù)極在壽命衰降中的變化更加明顯，從下圖A、B和C三種電池完全放電后的負(fù)極形貌能夠發(fā)現(xiàn)，沒有經(jīng)過循環(huán)的電池A負(fù)極完全呈現(xiàn)黑色（石墨材料的顏色），而即將容量跳水的電池B的負(fù)極的中間位置則出現(xiàn)了部分的析Li現(xiàn)象，而容量跳水后的電池C負(fù)極表面更是出現(xiàn)了大面積的析Li現(xiàn)象。作者分析了A、B和C三只電池負(fù)極中的含Li量發(fā)現(xiàn)，在電池A的負(fù)極僅含有0.25mAh/cm2的Li，但是在電池B中負(fù)極中的含Li量就達(dá)到了0.55mAh/cm2，而在電池C的負(fù)極中黑色部分負(fù)極的含Li量為0.85mAh/cm2，在析Li部分的負(fù)極的含Li量則達(dá)到了1.87mAh/cm2，這表明大量失去活性的Li沉積在負(fù)極是造成電池容量跳水的主要因素。
