鋰離子電池工作原理,鋰電池衰減的原因

來源：存能電氣  日期：2019-05-29 14:38  瀏覽量：次

　　鋰離子電池工作原理，鋰電池衰減的原因。鋰離子電池是繼鎘鎳、氫鎳電池之后發展最快的二次電池。使用過的用戶應該都知道鋰電池在使用一段時間之后容量會縮減。本文總結并分析了鋰離子電池的工作原理、容量衰減的可能原因，希望能幫上你們。

　　鋰離子電池工作原理

　　鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。

　　鋰電池放電是靠化學的氧化還原反應。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池產生電量。

　　在每一次充放電循環過程中，鋰離子（Li）充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發生化學反應，將化學能和電能相互轉換，實現了電荷的轉移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學反應。

　　鋰電池容量衰減的原因

　　鋰電池是繼鎘鎳電池、氫鎳電池之后發展最快的二次電池.鋰離子電池的應用很大程度取決于其充放電循環的穩定性,和其它二次電池一樣,鋰離子電池在循環過程中容量衰減是不可避免的。

　　1、正極材料的結構變化

　　正極材料是鋰離子電池的主要來源，當鋰電池從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態，金屬元素必然會被氧化到達一個高的氧化態，這里就伴隨了組分的轉變。組分的轉變容易導致相轉移和體相結構的變化。電極材料相轉變可以引起晶格參數的變化及晶格失配，由此產生的誘導應力引起晶粒的破碎，并引發裂紋的傳播，造成材料的結構發生機械破壞，從而引起電化學性能衰減。

　　2、負極材料結構

　　鋰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。鋰電池容量的衰減第一次發生于化成階段，在這個階段會在負極表面形成SEI，消耗部分鋰離子。隨著鋰電池使用，石墨結構的變化也會造成電池容量下降。

　　雖然保持了石墨的形貌結構，但是其(002)晶面的半高寬變大，導致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結構的改變導致碳材料出現裂紋，進而破壞負極表面的SEI膜并促進SEI膜的修復，SEI膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了鋰電池的不可逆容量衰減。

　　3、電解液的氧化分解與界面反應

　　電解液的性質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。電解液主要包括溶劑、電解質和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質的分解都會導致鋰電池容量的損失。電解液的分解和副反應是鋰電池容量衰減的主要因素，無論采用何種正負極材料、何種工藝，隨著鋰電池循環使用，電解液的分解及與正負極材料間發生的界面反應都會造成容量的衰減。

　　4、正極過充反應

　　當正極活性物相對于負極活性物比例過低時，容易發生正極過充電。鋰電池正極過充導致容量損失主要是由于電化學惰性物質(如Co3O4，Mn2O3等)的產生，破壞了電極間的容量平衡，其容量損失是不可逆的。

　　5、電極不穩定性

　　在充電時正極活性物質不穩定會與電解質反應造成容量降低。影響正極材料不穩定因素有正極材料結構缺陷、炭黑含量、充電電勢過高，其中正極材料結構缺陷是影響因素中的重中之重。

　　隨著鋰電池的可用區域縮小，可填充的能量降低，充電時間逐漸縮短。在大多數情況下，由于周期循環和老化的原因，鋰電池容量呈線性衰減。

　　6、存儲溫度

　　充放電循環并不是鋰電池容量衰減的唯一原因，高溫下存儲鋰電池也會導致容量衰減。一個充滿電的鋰電池在40℃(104°F)保存一年而不使用的情況下會造成35%的容量損失。超快速充放對電池也是有害的，會使電池壽命減少一半，這對于單體鋰電池是非常明顯的。鋰電池組比能量高，但由于單體電池的差異而顯得特別微妙。

　　鋰電池需要經常計算其容量衰減和最終壽命。容量衰減到80%就需要更換電池組，鋰電池組的最終壽命極限應根據應用的不同、用戶的喜好以及公司的保障而改變。