為什么鋰離子電池的最大電壓不能超過4.2v?

能量密度是描述鋰離子電池儲(chǔ)能大小的參數(shù)，它近似等于電壓與鋰電池容量的乘積。為了有效提高鋰電池的存儲(chǔ)容量，人們通常采用增加電池容量的方法來達(dá)到這一目的。然而，由于所使用材料的性質(zhì)，容量的增加總是有限的，所以增加電壓值成為提高鋰電池存儲(chǔ)容量的另一種方式。如你所知，鋰電池的額定電壓為3.6v或3.7v，最大電壓為4.2v。那么，為什么鋰離子電池不能取得更大的突破呢?最終，這也是由鋰電池的材料和結(jié)構(gòu)特性決定的。

鋰電池的電壓是由電極電位決定的。電壓，又稱電位差或電位差，是測(cè)量靜電場(chǎng)中不同電位引起的能量差的物理量。鋰離子的電極電位約為3V，鋰電池的電壓隨材料的不同而不同。例如，一般鋰離子電池額定電壓為3.7V，滿壓為4.2V;磷酸鐵鋰電池的額定電壓為3.2v，滿電壓為3.65v。換句話說，實(shí)際鋰離子電池的正極和負(fù)極之間的電位差不能超過4.2v，這是基于材料和安全性的要求。

取Li/Li+的參考電位，設(shè)A為陰極材料的相對(duì)電化學(xué)電位，C為陽極材料的相對(duì)電化學(xué)電位。電解質(zhì)電位區(qū)間Eg是電解質(zhì)的最低電子未占據(jù)能級(jí)與最高電子占據(jù)能級(jí)之差。因此，鋰電池的最高電壓值由三個(gè)因素決定:A、C、Eg。

相A與相C的區(qū)別是鋰離子電池的開路電壓(最大電壓)，當(dāng)在Eg范圍內(nèi)時(shí)，保證了電解液的正常工作。“正常工作”是指鋰離子電池通過電解液在正負(fù)電極之間來回移動(dòng)，但不與電解液發(fā)生氧化還原，以保證電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。正極和負(fù)極材料的電化學(xué)電位導(dǎo)致電解液以兩種形式異常工作:

1. 當(dāng)負(fù)極的電化學(xué)勢(shì)高于最低electron-free電解質(zhì)的能級(jí),負(fù)電極的電子將會(huì)被電解液,電解液會(huì)氧化,反應(yīng)產(chǎn)物將形成一個(gè)“固液界面層”的粒子表面的負(fù)電極,這可能導(dǎo)致負(fù)電極的毀滅。

2. 當(dāng)正極的電化學(xué)電位低于電解液的最高電子占據(jù)水平時(shí)，電解液中的電子會(huì)被正極捕獲，并被電解液氧化。反應(yīng)產(chǎn)物在正電極顆粒表面形成“固液界面層”，可能導(dǎo)致正電極的破壞。

然而，正極或負(fù)極破壞的可能性阻止了電子在電解質(zhì)和正極或負(fù)極之間進(jìn)一步移動(dòng)，并保護(hù)了電極材料。換句話說，較輕的固液界面層具有“保護(hù)作用”。這種保護(hù)的前提是陽極和陰極的電化學(xué)電位可以略大于Eg區(qū)間，但不會(huì)太大?，F(xiàn)在,例如,鋰離子電池負(fù)極材料大多是使用石墨,是由于石墨相對(duì)于李/李+電極的電化學(xué)勢(shì)約為0.2 V,稍微超出了如間隔(1 V ~ 4.5 V),但由于“保護(hù)”“固液界面層”,使電解質(zhì)不會(huì)進(jìn)一步減少,停止極化反應(yīng)的發(fā)展。但5V高壓陰極材料超出了商用有機(jī)電解質(zhì)的Eg區(qū)間，在充放電過程中容易被氧化。隨著充放電次數(shù)的增加，容量減小，使用壽命縮短。

現(xiàn)在了解到鋰離子電池的開路電壓被選為4.2 V,因?yàn)楝F(xiàn)有的商用鋰電池電解質(zhì)如范圍從1 V 4.5 V,如果能夠設(shè)置的開路電壓4.5 V鋰電池輸出功率,還增加電池過度充電的風(fēng)險(xiǎn)和超載的危害相當(dāng)大的數(shù)據(jù)顯示