關(guān)于鋰電池負(fù)極存在的四大問題詳解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-02-13 09:59
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1. 負(fù)極重要在哪里？
鋰離子電池負(fù)極重要性體現(xiàn)在哪里？鋰離子電池的輸出電壓等于其正極電壓和負(fù)極電壓的差值，所以，鋰離子電池負(fù)極的脫嵌鋰電壓決議了電池的輸出電壓（至少一半），負(fù)極作業(yè)電壓越低，電池的作業(yè)電壓就越高。
電池比容量由正極比容量和負(fù)極比容量一起決議，負(fù)極比容量至少在感覺上決議了電池比容量的一半。
電池實(shí)踐可利用容量還和負(fù)極脫鋰電壓渠道歪斜程度有關(guān)，脫鋰電壓渠道越平，負(fù)極可利用容量就越高，電池的比容量也就越高。
假定正極容量為P mAh/g，負(fù)極容量為Q mAh/g，電池的理論比容量x滿意下式
2. 質(zhì)量比能量和電壓之間的退讓
嚴(yán)厲講，這種退讓不包括鋰金屬。鋰金屬作業(yè)電壓0V，理論容量3862mAh/g，實(shí)踐容量由活性物質(zhì)利用率決議。
為什么要退讓？一般講，現(xiàn)在的負(fù)極候選資料（不包括金屬鋰）具有一個(gè)根本特點(diǎn)便是容量越大活性電極資料，其脫鋰電壓渠道（或許均勻值）越高，例如，石墨類碳資料均勻脫鋰電位為0.15V，實(shí)踐容量為350mAh/g；Sn負(fù)極均勻脫鋰電位為0.5V，理論容量為990mAh/g；Si負(fù)極均勻脫鋰電位為0.45V，理論容量為4200mAh/g。Sn和Si的實(shí)踐可利用容量，還不確認(rèn)，終究由運(yùn)用條件決議。
電池能量密度和比特性是均勻作業(yè)電壓(正負(fù)極電壓差)與質(zhì)量比容量（或許體積比容量）的乘積決議，在以Si或許Sn代替碳基資料時(shí)，電池比容量增大量是否能補(bǔ)償電池作業(yè)電壓的下降，是需要考慮的一個(gè)重要因素。一個(gè)簡單的例子說明，假定正極為磷酸鐵鋰，其作業(yè)電壓以3.45V計(jì)，容量以160mAh/g計(jì)；當(dāng)與石墨碳(以0.15V，350mAh/g實(shí)踐容量計(jì))匹配時(shí)，1g磷酸鐵鋰匹配0.457g石墨碳，全電池理論比能量為(3.45-0.15)V*160mAh/1.457g=362.3mWh/g。
1g磷酸鐵鋰與Si負(fù)極匹配，Si負(fù)極按照0.45V和4200mAh/g核算，匹配后的全電池比能量為(3.45-0.45)V*160mAh/1.038g=462mWh/g。顯著的，運(yùn)用Si負(fù)極代替石墨碳負(fù)極以后，其容量增加能夠補(bǔ)償由于其脫鋰電壓升高導(dǎo)致的電池電壓下降帶來的影響。當(dāng)然，這是理論的考慮，由于Si負(fù)極實(shí)踐容量不或許達(dá)到其理論值。假定Si負(fù)極實(shí)踐容量為p，要滿意全電池比能量大于362.3mWh/g的條件，滿意的聯(lián)系式是
當(dāng)然，上式仍是做了一點(diǎn)簡化，未考慮Si負(fù)極電壓與容量的聯(lián)系，可是能夠說明咱們目前要評論的目的。核算可得p至少要492.5mAh/g，換句話說，Si負(fù)極的實(shí)踐容量要大于492.5mAh/g才干保證全電池的質(zhì)量比特性不變差(和磷酸鐵鋰/石墨碳體系相比)。高容量C-Si復(fù)合負(fù)極資料的開發(fā)，也能夠借鑒上述評論，粗略講，C-Si復(fù)合負(fù)極在實(shí)踐使用時(shí)其中的Si部分奉獻(xiàn)的容量不能小于492.5mAh/g，不然就沒有任何含義了。
這便是負(fù)極脫鋰電壓升高和可逆容量增大兩個(gè)參數(shù)之間的退讓聯(lián)系。正由于這兩個(gè)參數(shù)之間存在退讓聯(lián)系，這兒就直接忽略了鈦酸鋰、氮化物，由于二者的電壓渠道實(shí)在是高，高得無法容忍。
3. 復(fù)合負(fù)極資猜中的高鋰化態(tài)
目前看來，單獨(dú)以Si、Sn等完全代替石墨碳負(fù)極的或許性還不大；折衷方案是Si/C或許Sn/C復(fù)合負(fù)極的運(yùn)用，廣義的便是M/C復(fù)合負(fù)極。
M/C復(fù)合負(fù)極的一個(gè)最大問題是高鋰化態(tài)的存在。高鋰化態(tài)是必然存在的，這是由于M的均勻脫鋰電壓高于石墨碳的原因。高鋰化態(tài)是針對M而言的，M的高鋰化態(tài)會導(dǎo)致一些意想不到的難題。新制備的M/C復(fù)合物產(chǎn)品是無鋰態(tài)，從無鋰態(tài)到M的高鋰化態(tài)，伴隨著體積的劇烈改變，鋰化后仍是否保持著開始的M和C的微觀相互聯(lián)系，對于循環(huán)穩(wěn)定性十分重要；此外，還存在首次充放電庫倫效率嚴(yán)峻低的問題，或許這能夠選用預(yù)循環(huán)來解決，可是預(yù)循環(huán)辦法會伴隨著新的電池制作工藝開發(fā)。
4. 負(fù)極研討誤區(qū)
對于鋰離子電池，其電壓不或許作業(yè)到0V；其比特性由正負(fù)極電壓差、正負(fù)極容量一起確認(rèn)；這在本征上決議了一些電壓渠道不顯著，或許即便顯著可是高于1.0V的乃至是要從3.0V一向作業(yè)到0.0V的氧化物，不具有實(shí)踐使用的或許。因此，目前一些關(guān)于具有上述特征的氧化物脫嵌鋰的行為的研討，沒有任何含義，比方一些關(guān)于氧化銅、氧化鐵等資料的脫嵌鋰行為研討，無任何含義。
