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簡述鋰電池充放電倍率對電池性能的影響

鉅大LARGE  |  點擊量:5576次  |  2019年01月26日  

鋰電池充放電倍率對電池性能有何影響?鋰離子電池的充放電倍率,決定了我們可以以多快的速度,將一定的能量存儲到電池里面,或者以多快的速度,將電池里面的能量釋放出來。正負極、電解液都會影響鋰電池的充放電倍率性能。

我們都知道,鋰電池隨著充放電次數(shù)的增加,容量會越來越少,直接表現(xiàn)就是鋰電池的性能越來越差。

哪些因素會限制鋰電池的充放電倍率性能?

鋰電池的充放電倍率性能,與鋰離子在正負極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關,一切影響鋰離子遷移速度的因素(這些影響因子也可等效為電池的內阻),都會影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外,電池內部的散熱速率,也是影響倍率性能的一個重要因素,如果散熱速率慢,大倍率充放電時所積累的熱量無法傳遞出去,會嚴重影響鋰電池的安全性和壽命。因此,研究和改善鋰電池的充放電倍率性能,主要從提高鋰離子遷移速度和電池內部的散熱速率兩個方面著手。

1.鋰電池的內阻

一般在正極活性物質內部會添加導電劑,從而降低活性物質之間、活性物質與正極基體/集流體的接觸電阻,改善正極材料的電導率(離子和電子電導率),提升倍率性能。不同材料不同形狀的導電劑,都會對鋰電池的內阻產生影響,進而影響其倍率性能。

正負極的集流體(極耳)是鋰離子電池與外界進行電能傳遞的載體,集流體的電阻值對電池的倍率性能也有很大的影響。因此,通過改變集流體的材質、尺寸大小、引出方式、連接工藝等,都可以改善鋰電池的倍率性能和循環(huán)壽命。

此外,隔離膜的吸液率和孔隙率也對鋰離子的通過性有較大的影響,也會一定程度上影響鋰電池的倍率性能(相對較小)。

鋰電池電解質與正負極材料的浸潤程度,會影響電解質與電極界面處的接觸電阻,從而影響電池的倍率性能。電解質的總量、粘度、雜質含量、正負極材料的孔隙等,都會改變電解質與電極的接觸阻抗,是改善倍率性能的重要研究方向。

2.電解質的離子電導率

電解質的離子電導率如同水的阻力一樣,對鋰離子游泳的速度有非常大的影響。目前鋰離子電池所采用的有機電解質,不管是液體電解質,還是固體電解質,其離子電導率都不是很高。電解質的電阻成為整個電池電阻的重要組成部分,對鋰電池高倍率性能的影響不容忽視。

除了提高電解質的離子電導率之外,還需要著重關注電解質的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在大倍率充放電時,電池的電化學窗口變化范圍非常寬,如果電解質的化學穩(wěn)定性不好,容易在正極材料表面氧化分解,影響電解質的離子電導率。

3.正、負極的鋰電池擴散能力

鋰電池在正/負極活性物質內部的脫嵌和嵌入的速率,也就是鋰離子從正/負極活性物質里面跑出來的速度,或者從正/負極表面進入活性物質內部找個位置“安家”的速度到底有多快,這是影響充放電倍率的一個重要因素。

影響鋰電池高倍率充放電性能的因素:

容量,容量保持能力差是鋰電池負極在高倍率充放過程中的最大問題,這主要與電極材料的結構、顆粒大小、電極導電性和電極表面SEI膜的穩(wěn)定性等因素有關。

材料尺寸,鋰電池負極材料的尺寸直接關系著鋰離子在其中擴散路徑的長短,對電極高倍率性能產生很大的影響。

電極表面電阻,鋰離子在嵌入負極的過程中,首先要擴散到固體電解質相界面膜(SEI膜)與負極材料的界面處,因此電極表面電阻相當于鋰離子擴散過程中的一道門檻,影響著鋰離子的嵌入和脫出,尤其在高倍率充放電時更加明顯。

過放電對電池性能有何影響?

鋰電池放完內部儲存的電量,電壓達到一定值后,繼續(xù)放電就會造成過放電,通常根據(jù)放電電流來確定放電截止電壓。0.2C-2C放電一般設定1.0V/支,3C以上如5C或10C放電設定為0.8V/支,電池過放可能會給電池帶來災難性的后果,特別是大電流過放,或反復過放對電池影響更大。

一般而言,過放電會使鋰電池內壓升高,正負極活性物質可逆性受到破壞,即使充電也只能部分恢復,容量也會有明顯衰減。

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