鋰離子電池正極材料與電池容量衰減的關系

來源：存能電氣  日期：2019-11-26 10:45  瀏覽量：次

　　鋰離子電池正極材料與電池容量衰減的關系。鋰離子電池容量衰減的原因很多，可能是負極容量設計不夠，負極片壓實密度太大，現在大部分負極都不能超過1.6；正極材料也有問題，有些正負極材料就是前10周降得快，特別是粒度大，比表面積小，導電性差的正負極材料。

　　鋰離子電池正極材料與電池容量衰減的關系

　　正極材料是決定鋰離子電池壽命的關鍵因素之一，目前商業化鋰離子電池常用的正極材料有層狀LiCoO2、尖晶石狀LiMn2O4、橄欖石狀LFP等。

　　鋰離子電池容量快速衰減一直是鋰離子電池壽命的一個痛點，多種因素都會影響容量快速衰減發生的節點，給鋰離子電池壽命預測帶來的極大挑戰，如果不摸清導致容量斷崖式衰減的原因，并將這些因素納入壽命預測模型，是很難做好鋰離子電池壽命預測模型的，再一次強調了業務和技術相結合的重要性。

　　過去十年里，雖然鋰離子電池的正極材料一直為鋰過渡金屬氧化物，過渡金屬的溶解問題一直是一個限制，特別是尖晶石LiMn2O4正極，在長期循環或高溫儲存過程中經常表現出明顯的容量衰減。其中錳的溶解是最重要的原因之一，尤其是當副反應生成的酸攻擊LiMn2O4材料時，錳離子會溶解在電解液中。

　　電解質氧化會產生氫離子，在電壓大于4.1V時形成氫氟酸，使錳的歧化反應變得更快，其溶解度也隨著循環過程中高、低壓區的相變而增加；當錳離子溶解到電解液中時，會出現幾種相應的現象，包括結構不穩定、活性材料的損失和歐姆電阻的增加。

　　錳酸鋰具有尖晶石結構，滿足鋰離子脫嵌的需求。但是，該材料中的Mn在高溫下容易溶解到電解液中去，造成不可逆容量損失。另外，在較高溫度下放電時，材料容易發生Jahn-Teller效應，從而破壞活性材料的晶型結構，造成電池容量衰減加快。

　　LFP是橄欖石狀結構，具有很好的穩定性和安全性，擴散阻抗略微增加，歐姆阻抗和電化學反應阻抗增大較多，其中，電化學阻抗增幅最大。容量損失主要來自于電極和電解液的副反應，為不可逆容量損失，活性鋰的損失是導致容量損失的主要原因，歸因于負極在循環過程中的體積變化引起SEI的劣化。

　　鈷酸鋰為層狀結構，其可以保證Li+的脫嵌與嵌入過程中結構變化的程度和可逆性，高倍率下充放電也會影響鋰電池的使用壽命，放電倍率的增加會導致Li、Co原子混合，導致部分LiCoO2從六方晶型轉變為立方晶型，正極材料結構的蛻變，導致容量衰減。

　　隨著鋰離子電池的使用，內部電解液中活性鋰離子的數量逐漸減少，同時由于鋰離子傳質能力下降，也導致了鋰離子電池容量衰減。活性鋰離子的損失主要是由于在循環過程中電解液與正負極活性材料反應不斷消耗活性鋰離子造成的。

　　隨著鋰離子電池循環次數的增多，正極阻抗發生明顯升高而負極阻抗并無明顯變化，同時負極容量發現驟減而正極容量并無明顯變化。循環過程中電池的容量衰減是因為正極界面阻抗的升高和負極容量的損失。

　　鋰離子電池具有體積能量密度大，質量能量密度大，工作電壓高、自放電效率低、無記憶效應等優點，已被廣泛應用于消費類電子產品中，隨著鋰離子電池應用領域的不斷擴展，對鋰離子電池的性能要求也越來越高。鋰離子電池在使用中遇到的問題如高溫下容量衰減速度加快、倍率性能差、自放電率高等都限制了其應用。