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。它的高能特性讓它的未來看起來一片光明。但是，鋰離子電池并不完美，其最大的問題就是它的充放電循環(huán)的穩(wěn)定性。本文總結并分析了鋰離子電池容量衰減的可能原因，包括過充電，電解液分解及自放電。

 

鋰離子電池在兩個電極間發(fā)生嵌入反應時具有不同的嵌入能量，而為了得到電池的最佳性能，兩個宿主電極的容量比應該保持一個平衡值。

 

在鋰離子電池中，容量平衡表示成為正極對負極的質量比，

 

即：γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+

 

上式中C指電極的理論庫侖容量，Δx、Δy分別指嵌入負極及正極的鋰離子的化學計量數(shù)。從上式可以看出，兩極所需要的質量比依賴于兩極相應的庫侖容量及其各自可逆鋰離子的數(shù)目。

 

一般說來，較小的質量比導致負極材料的不完全利用；較大的質量比則可能由于負極被過充電而存在安全隱患?？傊谧顑?yōu)化的質量比處，電池性能最佳。

 

對于理想的Li-ion電池系統(tǒng)，在其循環(huán)周期內容量平衡不發(fā)生改變，每次循環(huán)中的初始容量為一定值，然而實際情況卻復雜得多。

 

任何能夠產生或消耗鋰離子或電子的副反應都可能導致電池容量平衡的改變，一旦電池的容量平衡狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變就是不可逆的，并且可以通過多次循環(huán)進行累積，對電池性能產生嚴重影響。

 

在鋰離子電池中，除了鋰離子脫嵌時發(fā)生的氧化還原反應外，還存在著大量的副反應，如電解液分解、活性物質溶解、金屬鋰沉積等

 

1

 

原因一：過充電

 

1、石墨負極的過充反應：

 

電池在過充時，鋰離子容易還原沉積在負極表面：

 

沉積的鋰包覆在負極表面，阻塞了鋰的嵌入。導致放電效率降低和容量損失，原因有：

 

①可循環(huán)鋰量減少；

 

②沉積的金屬鋰與溶劑或支持電解質反應形成Li2CO3，LiF或其他產物；

 

③金屬鋰通常形成于負極與隔膜之間，可能阻塞隔膜的孔隙增大電池內阻；

 

④由于鋰的性質很活潑，易與電解液反應而消耗電解液.從而導致放電效率降低和容量的損失。

 

快速充電，電流密度過大，負極嚴重極化，鋰的沉積會更加明顯。這種情況容易發(fā)生在正極活性物相對于負極活性物過量的場合。但是，在高充電率的情況下，即使正負極活性物的比例正常，也可能發(fā)生金屬鋰的沉積。

 

2、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。

 

正極過充導致容量損失主要是由于電化學惰性物質（如Co3O4，Mn2O3等）的產生，破壞了電極間的容量平衡，其容量損失是不可逆的。

 

（1）LiyCoO2

 

LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2y<0.4

 

同時正極材料在密封的鋰離子電池中分解產生的氧氣由于不存在再化合反應（如生成H2O）與電解液分解產生的可燃性氣體同時積累，后果將不堪設想。

 

（2）λ-MnO2

 

鋰錳反應發(fā)生在鋰錳氧化物完全脫鋰的狀態(tài)下：λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

 

3、電解液在過充時氧化反應

 

當壓高于4.5V時電解液就會氧化生成不溶物（如Li2Co3）和氣體，這些不溶物會堵塞在電極的微孔里面阻礙鋰離子的遷移而造成循環(huán)過程中容量損失。

 

影響氧化速率因素：

 

正極材料表面積大小

 

集電體材料

 

所添加的導電劑（炭黑等）

 

炭黑的種類及表面積大小

 

在目前較常用電解液中，EC/DMC被認為是具有最高的耐氧化能力。溶液的電化學氧化過程一般表示為：溶液→氧化產物(氣體、溶液及固體物質)+ne-

 

任何溶劑的氧化都會使電解質濃度升高，電解液穩(wěn)定性下降，最終影響電池的容量。假設每次充電時都消耗一小部分電解液，那么在電池裝配時就需要更多的電解液。對于恒定的容器來說，這就意味著裝入更少量的活性物質，這樣會造成初始容量的下降。此外，若產生固體產物，則會在電極表面形成鈍化膜，這將引起電池極化增大而降低電池的輸出電壓

 

2

 

原因二：電解液分解（還原）

 

I在電極上分解

 

1、電解質在正極上分解：

 

電解液由溶劑和支持電解質組成，在正極分解后通常形成不溶性產物Li2Co3和LiF等，通過阻塞電極的孔隙而降低電池容量，電解液還原反應對電池的容量和循環(huán)壽命會產生不良影響，并且由于還原產生了氣體會使電池內壓升高，從而導致安全問題。

 

正極分解電壓通常大于4.5V(相對于Li/Li+)，所以，它們在正極上不易分解。相反，電解質在負極較易分解。

 

2、電解質在負極上分解：

 

電解液在石墨和其它嵌鋰碳負極上穩(wěn)定性不高，容易反應產生不可逆容量。初次充放電時電解液分解會在電極表面形成鈍化膜，鈍化膜能將電解液與碳負極隔開阻止電解液的進一步分解。從而維持碳負極的結構穩(wěn)定性。理想條件下電解液的還原限制在鈍化膜的形成階段，當循環(huán)穩(wěn)定后該過程不再發(fā)生。

 

鈍化膜的形成

 

電解質鹽的還原參與鈍化膜的形成，有利于鈍化膜的穩(wěn)定化，但是

 

（1）還原產生的不溶物對溶劑還原生成物會產生不利影響；

 

（2）電解質鹽還原時電解液的濃度減小，最終導致電池容量損失（LiPF6還原生成LiF、LixPF5－x、PF3O和PF3）；

 

（3）鈍化膜的形成要消耗鋰離子，這會導致兩極間容量失衡而造成整個電池比容量降低。

 

（4）如果鈍化膜上有裂縫，則溶劑分子能透入，使鈍化膜加厚，這樣不但消耗更多的鋰，而且有可能阻塞碳表面上的微孔，導致鋰無法嵌入和脫出，造成不可逆容量損失。在電解液中加一些無機添加劑，如CO2，N2O，CO，SO2等，可加速鈍化膜的形成，并能抑制溶劑的共嵌和分解，加入冠醚類有機添加劑也有同樣的效果，其中以12冠4醚最佳。

 

成膜容量損失的因素：

 

（1）工藝中使用碳的類型；

 

（2）電解液成份；

 

（3）電極或電解液中添加劑。

 

Blyr認為離子交換反應從活性物質粒子表面向其核心推進，形成的新相包埋了原來的活性物質，粒子表面形成了離子和電子導電性較低的鈍化膜，因此貯存之后的尖晶石比貯存前具有更大的極化。

 

Zhang通過對電極材料循環(huán)前后的交流阻抗譜的比較分析發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，表面鈍化層的電阻增加，界面電容減小。反映出鈍化層的厚度是隨循環(huán)次數(shù)而增加的。錳的溶解及電解液的分解導致了鈍化膜的形成，高溫條件更有利于這些反應的進行。這將造成活性物質粒子間接觸電阻及Li+遷移電阻的增大，從而使電池的極化增大，充放電不完全，容量減小。

 

II電解液的還原機理

 

電解液中常常含有氧、水、二氧化碳等雜質，在電池充放電過程中發(fā)生氧化還原反應。

 

電解液的還原機理包括溶劑還原、電解質還原及雜質還原三方面：

 

1、溶劑的還原

 

PC和EC的還原包括一電子反應和二電子反應過程，二電子反應形成Li2CO3：

 

Fong等認為，在第一次放電過程中，電極電勢接近O.8V(vs.Li/Li+)時，PC/EC在石墨上發(fā)生電化學反應，生成CH=CHCH3(g)/CH2=CH2(g)和LiCO3(s)，導致石墨電極上的不可逆容量損失。

 

Aurbach等對各種電解液在金屬鋰電極和碳基電極上還原機理及其產物進行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)PC的一電子反應機理產生ROCO2Li和丙烯。ROCO2Li對痕量水很敏感，有微量水存在時主要產物為Li2CO3和丙稀，但在干燥情況下并無Li2CO3產生。

 

DEC的還原：

 

Ein-EliY報道，由碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)混合而成的電解液，在電池中會發(fā)生交換反應，生成碳酸甲乙酯(EMC)，對容量損失產生一定的影響。

 

2、電解質的還原

 

電解質的還原反應通常被認為是參與了碳電極表面膜的形成，因此其種類及濃度都將影響碳電極的性能。在某些情況下，電解質的還原有助于碳表面的穩(wěn)定，可形成所需的鈍化層。

 

一般認為，支持電解質要比溶劑容易還原，還原產物夾雜于負極沉積膜中而影響電池的容量衰減。幾種支持電解質可能發(fā)生的還原反應如下：

 

3、雜質還原

 

（1）電解液中水含量過高會生成LiOH(s)和Li2O沉積層，不利于鋰離子嵌入，造成不可逆容量損失：

 

H2O＋e→OH-＋1/2H2

 

OH-＋Li+→LiOH(s)

 

LiOH＋Li+＋e-→Li2O(s)＋1/2H2

 

生成LiOH(s)在電極表面沉積，形成電阻很大的表面膜，阻礙Li+嵌入石墨電極，從而導致不可逆容量損失。溶劑中微量水(100-300×10-6)對石墨電極性能沒影響。

 

（2）溶劑中的CO2在負極上能還原生成CO和LiCO3(s)：

 

2CO2＋2e-＋2Li+→Li2CO3＋CO

 

CO會使電池內壓升高，而Li2CO3（s）使電池內阻增大影響電池性能。

 

（3）溶劑中的氧的存在也會形成Li2O

 

1/2O2+2e-+2Li+→Li2O

 

電子產品包括游戲筆記本的電池是消耗品?？赡芎芏鄼C友對自己電腦電池的使用壽命沒有在意，但是在筆記本電腦使用超過半年以后，電池的續(xù)航能力的確會下降，很多筆記本電腦用戶想必深有體會。

 

筆記本電腦的電池為什么會損耗

 

首先，需要機友們要明確一點，筆記本電腦的電池是隨時在損耗的。但很多不良習慣的存在會加速筆記本電腦電池的損耗。

 

加速筆記本電腦電池損耗的原因有以下幾種：

 

使用劣質、不適配的充電器。

 

很多人筆記本電腦的充電器丟了，去花便宜錢找了一個劣質充電器，或用了電壓和筆記本承受電壓不適配的充電器，都會加速筆記本電腦的電池老化。

 

高溫環(huán)境下玩電腦。

 

電池正常產生的熱量很難散去，溫度逐漸升高，導致電池老化。需要注意的是，高溫下完電腦溫度達到臨界點，有燃燒爆炸的危險。

 

拔下充電器的時候玩大型游戲。

 

將筆記本電腦的亮度開到最大等，會使得筆記本電腦承載更多的電池續(xù)航能力，這些都會加速筆記本電腦電池的損耗。

 

不關機。

 

直接合住筆記本蓋子，就把筆記本放在封閉性的電腦包、或者筆記本袋子里，筆記本繼續(xù)工作，發(fā)熱，包里的熱氣無法排出，導致筆記本電腦電池的損耗。

 

如何進行筆記本電腦電池的保養(yǎng)

 

先來普及一個筆記本電腦電池的保養(yǎng)誤區(qū)。有人說前三次使用筆記本電腦，需要充電12小時，其實那是針對鎳系電池來說的，現(xiàn)在使用的鋰電池，只要顯示充滿電就可以拔了。

 

養(yǎng)成良好的筆記本電腦使用習慣。

 

不用電腦時，請將電腦關閉或者休眠；屏幕亮度合適即可，不要長時間調的太亮；學會進行節(jié)能設置；當電池出現(xiàn)報警時，請及時保存資料，連接充電器或者直接關機，不要在電池出現(xiàn)報警、電量低時，還讓電腦運載大批量的數(shù)據(jù)。

 

盡量減少使用電池的次數(shù)。

 

電池的充放電次數(shù)直接關系到壽命，每充一次，電池就向退役前進了一步。建議大家盡量使用外接電源。

 

電量用盡后再充電和避免充電時間過長。

 

使用劣質、不適配的充電器。

 

不管您的筆記本使用鋰電還是鎳氫電，一定要將電量用盡后再充(電量低于1%)，這是避免記憶效應的最好方法。鋰電同樣會有記憶效應，只是它的記憶效應比鎳氫小一些罷了。

 

在平時注意保護。

 

使用時要防止曝曬、防止受潮、防止化學液體侵蝕、避免電池觸點與金屬物接觸等情況的發(fā)生。

 

除了注意上面提到的幾點筆記本電腦電池保養(yǎng)，機友們在平時不玩游戲的情況下可以按照下面兩種方法調節(jié)來增加電源的續(xù)航時間。

 

方法一

 

電源模式調整為節(jié)能

 

設置方法：Windows控制面板-硬件和聲音-電源選項

 

Windows電源管理的三種模式

 

高性能模式：可以帶來處理器等硬件滿頻工作，風扇最大轉速等，全部不惜電量的去運行，適合長時間連接電源適配器使用。

 

均衡模式：系統(tǒng)會根據(jù)是否連接電源適配器進行預設，在使用電池狀態(tài)時進行部分節(jié)能模式，以達到省電延長續(xù)航的目的。

 

省電模式：此模式下，系統(tǒng)會在運行需求為前提，進行最大的節(jié)能設置，以達到最佳的省電狀態(tài)。

 

方法二

 

開啟Windows10中節(jié)電模式

 

開啟方法：Windows10設置-系統(tǒng)-電池

 

Windows10的節(jié)電模式

 

節(jié)電模式是伴隨著Windows10操作系統(tǒng)推出的一個功能，也就是只有在Windows10操作系統(tǒng)的機型中才能使用。

 

此模式下，Windows會通過限制后臺活動與推送通知來延長電池使用時長。開啟此功能后，屏幕亮度會二次降低，即無論在哪種電源模式下，只要開啟節(jié)電模式屏幕亮度會再次降低，強制性進行硬件規(guī)格的省電。

 

此外，省電模式和節(jié)電模式可以同時開啟，這樣組合可以達到最優(yōu)化的省電方案。

 

機械師除了高性能、更長續(xù)航能力的鋰電池，還采用了出風口后置設計，讓散熱通風效果更佳；同時采用了更高的散熱功率，使得電腦系統(tǒng)甚至顯卡承受負荷可以在保持低溫的狀態(tài)下運行。這樣可以防止電池的損耗，為電池的長時間運行增加了一道籌碼！

 

讓每一臺筆記本電腦，經過歲月風霜的洗禮之后，依然能夠迅捷如初，反應敏捷；依然能夠長時間運行，在游戲的世界中縱情馳騁。

 

因為金屬鋰與完全嵌鋰的碳之間電位差較小，電解液在碳上的還原與在鋰上的還原類似。

 

原因三：自放電

 

自放電是指電池在未使用狀態(tài)下，電容量自然損失的現(xiàn)象。鋰離子電池自放電導致容量損失分兩種情況：