鉅大LARGE | 點擊量：415次 | 2023年11月21日
三元材料鋰電池容量的衰減原因分析
一、正極材料的結(jié)構(gòu)變化
正極材料是鋰離子的重要來源，當鋰離子從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會被氧化到達一個高的氧化態(tài)，這里就伴隨了組分的轉(zhuǎn)變。組分的轉(zhuǎn)變?nèi)菀讓?dǎo)致相轉(zhuǎn)移和體相結(jié)構(gòu)的變化。電極材料相轉(zhuǎn)變可以引起晶格參數(shù)的變化及晶格失配，由此出現(xiàn)的誘導(dǎo)應(yīng)力引起晶粒的破碎，并引發(fā)裂紋的傳播，造成材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生機械破壞，從而引起電化學(xué)性能衰減。
KIM[1]等對層狀LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究分析，由于Li+(0.76?)與Ni2+(0.69?)有相近的離子半徑，富鎳材料較易出現(xiàn)Ni2+向Li+空穴遷移的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的無序性;體積的反復(fù)變化導(dǎo)致活性材料出現(xiàn)裂紋及孔隙，隨著循環(huán)的進行，材料結(jié)構(gòu)逐漸由菱方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成尖晶石相，在循環(huán)初期結(jié)構(gòu)的激烈變化導(dǎo)致容量及電壓的快速衰退。
二、負極材料結(jié)構(gòu)
商業(yè)化鋰離子電池常用的負極材料有碳材料、鈦酸鋰等，本文以典型負極石墨進行分析。鋰離子電池容量的衰減第一次發(fā)生于化成階段，在這個階段會在負極表面形成SEI，消耗部分鋰離子。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
隨著鋰離子電池使用，石墨結(jié)構(gòu)的變化也會造成電池容量下降。LIU[2]等研究了LiFePO4/C電池的容量衰減機制，同樣適用于三元鋰離子電池，研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)后的碳材料雖然保持了石墨的形貌結(jié)構(gòu)，但是其(002)晶面的半高寬變大，導(dǎo)致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致碳材料出現(xiàn)裂紋，進而破壞負極表面的SEI膜并促進SEI膜的修復(fù)，SEI膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了電池的不可逆容量衰減。
楊麗杰研究了鈷酸鋰/石墨電池的容量衰減原因，發(fā)現(xiàn)石墨負極表面SEI生成、結(jié)構(gòu)變化和鋰沉積與電池容量衰減具有緊密聯(lián)系。經(jīng)過比較不同循環(huán)次數(shù)的石墨負極結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)d002呈現(xiàn)新增的趨勢，石墨化程度呈現(xiàn)減小的趨勢。石墨電極材料的晶粒尺寸Lc呈現(xiàn)逐。
漸降低的趨勢，La沒有出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。其中Lc是d002與晶粒內(nèi)石墨片層數(shù)的乘積，由此可以得到石墨片層數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，這樣的結(jié)構(gòu)變化宏觀上表現(xiàn)為石墨材料的脫落，最終導(dǎo)致鋰離子電池容量衰減。
三、電解液的氧化分解與界面反應(yīng)
電解液的性質(zhì)顯著影響鋰離子電池的比容量、壽命、倍率充放電性能、工作溫度范圍以及安全性能等。電解液重要包括溶劑、電解質(zhì)和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質(zhì)的分解都會導(dǎo)致電池容量的損失。電解液的分解和副反應(yīng)是鋰離子電池容量衰減的重要因素，無論采用何種正負極材料、何種工藝，隨著鋰離子電池循環(huán)使用，電解液的分解及與正負極材料間發(fā)生的界面反應(yīng)都會造成容量的衰減。
電解質(zhì)LiPF6的分解產(chǎn)物PF5與電解液中微量水發(fā)生如下反應(yīng)會生成HF：
LiPF6→LiF(s)+PF5(1)
H2O+PF5→POF3+HF(2)
HF的腐蝕性應(yīng)該是大家熟知的，不僅與正極材料、負極材料反應(yīng)，甚至還會腐蝕集流體，進而造成鋰離子電池容量衰減甚至引發(fā)鋰離子電池安全性。
四、鋰離子電池使用條件
不得不提的是鋰離子電池的使用環(huán)境和條件對其容量的損害。
(1)鋰離子電池濫用
OUYANG[3]研究了過充對軟包電池容量造成的影響，在SOC為120%以下時，沒有明顯的容量損失;當SOC大于120%，負極開始出現(xiàn)鋰沉積，并且由于生成較厚的SEI膜，阻抗變大并造成活性鋰的損失，假如繼續(xù)過充則會引起鋰離子電池熱失控。在過高的SOC下，電解液的分解速率會變快，在石墨負極形成厚的沉積層，該沉積層所含的鋰以沉淀。
(CH2OCO2Li)2及Li2CO3等形式沉積后不可以再參與可逆反應(yīng)。
此外，大倍率充放電也會造成鋰離子電池容量損失，這是因為正負極在充放電過程會發(fā)生體積收縮和膨脹，而充放電電流越大，收縮膨脹越劇烈，應(yīng)力越大，從而正負極的顆粒在體積快速變化中更容易發(fā)生破裂或者從集流體剝離，導(dǎo)致循環(huán)衰減加快。
(2)溫度因素
溫度絕對是影響鋰離子電池壽命的關(guān)鍵因素之一，過高的溫度或過低的溫度都會造成活性鋰離子含量的降低，從而減少鋰離子電池壽命。
高溫條件下，三元材料各金屬元素的配比及電解液的性能對電池容量有重要影響。在少量循環(huán)次數(shù)之前，電池在高溫下放電容量要高于電池的額定容量和常溫下的容量(如下圖)，這是由于高溫時電解液的黏度低，離子傳質(zhì)快，極片的反應(yīng)活性高，電池才表現(xiàn)出較高的充放電容量。但是隨著在高溫下循環(huán)次數(shù)增多，電池內(nèi)電解液會出現(xiàn)較快分解，在電極表面生成厚而不均的鈍化膜[4]，電極材料結(jié)構(gòu)破壞，金屬離子溶出，導(dǎo)致容量衰減嚴重。
在低溫條件下(如-10℃)，電解液粘度增大，離子傳導(dǎo)速度變慢，與外電路電子遷移速度不匹配，電池出現(xiàn)嚴重極化，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。尤其是在低溫充電的情況下，會出現(xiàn)從正極遷移過來的Li+來不及嵌入到負極的碳層層格中，在負極端形成鋰金屬結(jié)晶，導(dǎo)致電池容量降低，長時間低溫下充電會引發(fā)鋰枝晶刺穿隔膜引發(fā)短路[5]。
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