電池材料老化衰退的原因是什么?充放電制度對鋰離子電池的循環(huán)壽命有影響嗎?
鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的。鋰電池是鋰離子電池的簡稱,目前作為新型儲能電池,正在逐步取代傳統(tǒng)的鉛酸電池。
日常生活中常見的主要是手機電池,電動車電車,電動工具電池。
1 從外形分:圓柱、方形
2 從外殼材料分:鋼殼、鋁殼、塑殼、鋁塑膜(軟包)
3 從能量密度分:容量型、功率型
4 從電解液分:液態(tài)鋰離子電池、固態(tài)鋰離子電池(聚合物)
5 從正極材料分:鈷酸鋰(C)、錳酸鋰(M)、三元鋰(N)、 磷酸亞鐵鋰(F)
常規(guī)使用的都是圓柱形18650電池,是一種直徑18mm高65毫米的圓柱形電池。
隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用,鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,并在逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。1998年,天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習(xí)慣上,人們把鋰離子電池也稱為鋰電池,但這兩種電池是不一樣的。鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。
據(jù)以上介紹 鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環(huán)境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流
鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的。
鋰電池是鋰離子電池的簡稱,目前作為新型儲能電池,正在逐步取代傳統(tǒng)的鉛酸電池。
鋰離子電池日本索尼公司于1990年最先開發(fā)成功。它是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負極(傳統(tǒng)鋰電池用鋰或鋰合金作負極)。正極材料常用LixCoO2 ,也用 LixNiO2 ,和LixMnO4 ,電解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC)。
2、石油焦炭和石墨作負極材料無毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了傳統(tǒng)鋰電池存在的安全問題,正極LixCoO
鋰離子電池充放電循環(huán)過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程,其循環(huán)壽命影響因素是多方面的。一方面與電池本身的特性相關(guān),例如設(shè)計、制造工藝和材料性能退化等;另一方面與使用過程中電池受外界的影響有關(guān),例如使用環(huán)境和充放電制度等。下面就對影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素進行分析。
隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的成熟,離子電池的應(yīng)用越來越廣泛。相同條件下電池容量衰減的越快,電池品質(zhì)就相對較差。鋰離子電池具有單體電壓高、相對質(zhì)量輕、對環(huán)境友好等優(yōu)點,但是經(jīng)過多個周期充放電循環(huán)后會出現(xiàn)電池容量等性能下降的現(xiàn)象。鋰離子電池的循環(huán)性能是衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo),許多關(guān)于鋰離子電池的標(biāo)準都有循環(huán)壽命這一項目。
鋰離子電池結(jié)構(gòu)及原理簡介
鋰離子電池首次充放電過程中,負極和電解液的相界面上能夠形成一層鈍化膜。它在電極與電解液之間起到隔膜作用,是電子絕緣體卻是鋰離子的優(yōu)良導(dǎo)體,鋰離子可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出,具有固體電解質(zhì)的特性,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”(solid electrolyte interface),簡稱SEI 。鋰離子電池主要由正負極材料、電解液、隔膜、集流體和電池外殼組成,正負極材料由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時,鋰離子從正極上脫嵌下來通過電解液經(jīng)隔膜嵌入負極,放電時則相反。
電池材料老化衰退的影響
鋰離子電池充放電循環(huán)的過程即為鋰離子通過電解液在正負極材料之間來回脫嵌、移動的過程。在鋰離子電池循環(huán)過程中,除在正負極發(fā)生氧化還原反應(yīng)外,還存在大量副反應(yīng)。如果能將鋰離子電池的副反應(yīng)降至低水平,使鋰離子通過電解液始終能順暢地往返于正負極材料之間,就能使鋰離子電池的循環(huán)壽命得以增加。鋰離子電池過充時,從正極上脫出的過量的鋰離子會沉積或嵌入到負極上,沉積的活性鋰易與溶劑反應(yīng),放出熱量使電池溫度升高。正極受熱分解放出氧氣使電解液易分解并產(chǎn)生大量的熱[25]。當(dāng)鋰電池的放電電壓低于放電截止電壓時,就形成了過放電。在過放電的過程中,鋰離子從負極上會過度脫出,下次充電時再嵌入會比較困難。余鐘寶等[26]對以MCMB 為負極、LiCoO2為正極的電池過放電到0 V 時,銅箔集流體遭到比較嚴重腐蝕,負極SEI 膜遭破壞,再次形成的SEI 膜性能較差,使負極阻抗增大、極化增強。電池在過放電以后的循環(huán)過程中放電容量、充放電效率大為降低。
設(shè)計和制造工藝的影響
在電池設(shè)計過程中,材料的選擇是最重要的因素。不同的材料性能特性不同,所研發(fā)的電池性能也有差距。正負極材料匹配的循環(huán)性能好,電池的循環(huán)壽命才會長。電解液在電池可逆容量的影響上也是十分重要的因素。電極材料脫、嵌鋰離子的過程始終是與電解液相互作用的過程,這種相互作用對電極材料的界面狀況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化有重要影響[3]。在與正負極材料相互作用的過程中電解液會損耗,另外在電池化成形成SEI 膜和預(yù)充電時,也會消耗部分電解液,因此電解液的種類和注液量也影響著電池壽命。
在配料方面,要注意正、負材料的添加量。一般來說,設(shè)計裝配過程中一般要求負極容量相對正極過量一些,如果不過量,在充電過程中負極會析出鋰,形成鋰枝晶從而影響安全性。負極相對正極過量太多,正極可能過度脫鋰,造成結(jié)構(gòu)坍塌。鋰離子電池的制造工藝流程主要包括:正負極配料、涂布、制片、卷繞、入殼、注液、封口、化成等。在電池生產(chǎn)過程中,對每一步的流程都要求非常嚴格。任何一個流程沒有控制好都有可能影響電池循環(huán)性能。
循環(huán)過程中充放電制度的影響
鋰離子電池的使用過程即充放電循環(huán)的過程,充放電電流的大小、充放電截止電壓的選擇及采用何種充放電方式等充放電制度對鋰離子電池的循環(huán)壽命也有很重要的影響。凡盲目增大電池的工作電流、增加充電截止電壓、降低放電截止電壓等都會使電池性能下降。
通過分析可知,無論在設(shè)計制造還是使用過程中,影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素是多方面的。鋰離子電池的應(yīng)用越來越廣泛,對鋰電池的需求在數(shù)量和質(zhì)量上都提出更高的要求。循環(huán)壽命直接影響鋰離子電池的使用時間和品質(zhì),因此生產(chǎn)者對其影響因素的研究是十分必要的。只有在研發(fā)和生產(chǎn)過程中將影響循環(huán)壽命的各個因素都把握好,企業(yè)才能在激烈的市場競爭中占據(jù)主動地位。消費者在使用過程中應(yīng)注意鋰離子電池的特性,根據(jù)說明書的提示正確使用電池。
















