锂电池基础知识讲解

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1、锂电池基础知识讲解理想的锂离子电池，除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外，不发生其他副反应，不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池，每时每刻都有副反应存在，也有不可逆的消耗，如电解液分解，活性物质溶解，金属锂沉积等，只不过程度不同而己。实际电池系统，每次循环中，任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应，都可能导致电池容量平衡的改变。一旦电池的容量平衡发生改变，这种改变就是不可逆的，并且可以通过多次循环进行累积，对电池性能产生严重影响。⑴正极材料的溶解尖晶石LiMn2O4中Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰减的主要原因，对于Mn的溶

2、解机理，一般有两种解释：氧化还原机制和离子交换机制。氧化还原机制是指放电末期Mn3+的浓度高，在LiMn2O4表面的Mn+会发生歧化反应:2Mn3+（固）  Mn4+（固）+Mn2+（液）歧化反应生成的二价锰离子溶于电解液。离子交换机制是指Li+和H+在尖晶石表面进行交换，最终形成没有电化学活性的HMn2O4。Xia等的研究表明，锰的溶解所引起的容量损失占整个电池容量损失的比例随着温度的升高而明显增大（由常温下的23%增大到55℃时的34%）[14]。⑵正极材料的相变化[15]锂离子电池中的相变有两类：一是锂离子正常脱嵌时电极材料发生的

3、相变；二是过充电或过放电时电极材料发生的相变。对于第一类相变，一般认为锂离子的正常脱嵌反应总是伴随着宿主结构摩尔体积的变化，同时在材料内部产生应力，从而引起宿主晶格发生变化，这些变化减少了颗粒间以及颗粒与电极间的电化学接触。第二类相变是Jahn-Teller效应。Jahn-Teller效应是指由于锂离子的反复嵌入与脱嵌引起结构的膨胀与收缩，导致氧八面体偏离球对称性并成为变形的八面体构型。由于Jahn-Teller效应所导致的尖晶石结构不可逆转变，也是LiMn2O4容量衰减的主要原因之一。在深度放电时，Mn的平均化合价低于3.5V，尖晶石

4、的结构由立方晶相向四方晶相转变。四方晶相对称性低且无序性强，使锂离子的脱嵌可逆程度降低，表现为正极材料可逆容量的衰减。⑶电解液的还原[15]锂离子电池中常用的电解液主要包括由各种有机碳酸酯(如PC、EC、DMC、DEC等)的混合物组成的溶剂以及由锂盐(如LiPF6、LiClO4、LiAsF6等)组成的电解质。在充电的条件下,电解液对含碳电极具有不稳定性,故会发生还原反应。电解液还原消耗了电解质及其溶剂,对电池容量及循环寿命产生不良影响,由此产生的气体会增加电池的内部压力,对系统的安全造成威胁。⑷过充电造成的量损失[15]负极锂的沉积:过

5、充电时，发生锂离子在负极活性物质表面上的沉积。锂离子的沉积一方面造成可逆锂离子数目减少，另一方面沉积的锂金属极易与电解液中的溶剂或盐的分子发生反应，生成Li2CO3、LiF或其他物质，这些物质可以堵塞电极孔，最终导致容量损失和寿命下降。电解液氧化：锂离子电池常用的电解液在过充电时容易分解形成不可溶的Li2CO3等产物，阻塞极孔并产生气体，这也会造成容量的损失，并产生安全隐患。正极氧缺陷：高电压区正极LiMn2O4中有损失氧的趋势，这造成氧缺陷从而导致容量损失。⑸自放电锂离子电池的自放电所导致的容量损失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆

6、的。造成不可逆自放电的原因主要有：锂离子的损失（形成不可溶的Li2CO3等物质）；电解液氧化产物堵塞电极微孔，造成内阻增大。⑹介面膜的形成由于锂离子或电解液与电极之间的不可逆反应,sz在负极与电解液界面处会形成固态电解液界面层(SEI)。由于形成这种钝化膜而损失的锂离子将导致两极间容量平衡的改变,在最初的几次循环中就会使电池的容量下降。⑺集流体锂离子电池中的集流体材料常用铜和铝，两者都容易发生腐蚀，集流体的腐蚀会导致电池内阻增加，从而造成容量损失。为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔1、采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能

7、这也会有利于粘结)，也相对常见比较廉价，同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。2、铜表面氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚，阻抗较大；而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体，氧化层不能导电，但由于其很薄，通过隧道效应实现电子电导，若氧化层较厚，铝箔导电性级差，甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗，一方面洗去油污，同时可除去厚氧化层。3、正极电位高，铝薄氧化层非常致密，可防止集流体氧化。而铜箔氧化层较疏松些，为防止其氧化，电位比较低较好，同时Li难与Cu在低电位下形成嵌锂合金，但是若铜表面大量氧化，在稍高电位下Li会与氧化铜发生嵌锂发

8、应。AL箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。4、集流体要求成分纯。AL的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀，更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金。铜网用硫酸氢盐清洗后用去离子水清洗后烘烤，