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三元材料鋰電池容量衰減的原因基本有什么?

鉅大LARGE  |  點擊量:200次  |  2023年12月11日  

三元材料鋰離子電池容量衰減的原因


三元鋰離子電池正極材料的結構變化


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,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,由此出現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。


KIM等對層狀LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極材料的微觀結構進行了研究分析,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Ni2+向Li+空穴遷移的情況,導致出現結構的無序性;體積的反復變化導致活性材料出現裂紋及孔隙,隨著循環的進行,材料結構逐漸由菱方結構轉變成尖晶石相,在循環初期結構的激烈變化導致容量及電壓的快速衰退。


●三元鋰離子電池負極材料結構

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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%

商業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。


隨著鋰離子電池使用,石墨結構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,研究發現循環后的碳材料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,因此造成了電池的不可逆容量衰減。


●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。電解液重要包括溶劑、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電池容量的損失。


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