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簡述鋰離子電池化成過程的步驟

鉅大LARGE  |  點擊量:4423次  |  2018年09月30日  

鋰離子電池化成過程中SEI膜的形成過程,具體而言包括如下四個步驟:

步驟①:電子由集流體-導電劑-石墨顆粒內部傳遞到待形成SEI膜的A點;

步驟②:溶劑化的鋰離子在溶劑的包裹下,從正極擴散至正在生成的SEI膜表層的B點;

步驟③:A點的電子通過電子隧道效應擴散至B點;

步驟④:躍遷至B點的電子與鋰鹽、溶劑化鋰離子、成膜劑等反應,在原有SEI膜表層繼續生成SEI膜,從而使得石墨顆粒表層SEI膜厚度不斷增加,最終形成完整的SEI膜。

由此可見,SEI形成的整體反應過程,可具體分解為上述四個分步反應來描述,四個分步反應過程,即決定了整個SEI膜的成膜過程。

步驟①:電子由集流體-導電劑-石墨顆粒內部傳遞到待形成SEI膜的A點。

到達A點的電子數量,將由化成時使用的電流、電流在正負極之間分布均勻性共同決定:化成電流越大,通過電極片a點的電流越大;當正負極電極片之間不平整時,相距近的點(a),電流更大;電極a點電流增大時,通過a點處活性物質顆粒的電流將更大,即單位時間內到達A點的電子數將增多,因此將使得A點處發生的成膜反應發生變化(如上篇文章所述:即大量的電子聚集于石墨顆粒表面,更容易與成膜劑、鋰離子發生雙電子反應過程)。

步驟②:溶劑化的鋰離子在溶劑的包裹下,從正極擴散至正在生成的SEI膜表層的B點:在電解液成分不變的情況下,升高溫度,電解液粘度將降低,成膜劑、溶劑化鋰離子在電解液中傳輸阻力將降低;同時溫度升高時,電解液的電導率將提高(如下圖所示,為某款電解液在不同溫度下的粘度及導電率),以上過程都將使得單位時間內,有更多的成膜劑及溶劑化鋰離子到達活性物質顆粒表面的B點,從而影響B點的成膜反應過程(如上篇文章所述:即相對更少的電子(因為此時成膜劑、溶劑化鋰離子更多)聚集于石墨顆粒表面,更容易與成膜劑、鋰離子發生單電子反應過程)。

步驟③:A點的電子通過電子隧道效應擴散至B點;此過程的速度,必定與已經形成的SEI膜的結構及組成有關:SEI膜越致密、有機組份比例越高,阻隔電子的效應越強,電子穿過相同距離的阻力越大。此時形成的SEI膜厚度會更小,不可逆反應的總量越低,電池的首次效率越高。

步驟④:躍遷至B點的電子與鋰鹽、溶劑化鋰離子、成膜劑等反應,在原有SEI膜表層繼續生成SEI膜,從而使得石墨顆粒表層SEI膜厚度不斷增加,最終形成完整的SEI膜。次過程即自由碰撞、結合反應過程,溫度越高,分子運動越快,發生碰撞的概率越高,反應速度越高,該步驟的阻力越小。

以上分析,詳細闡述了各工藝參數對化成過程、SEI膜成膜的具體影響:

1.化成電流大小及電流在電極片上分布的均勻性,將對SEI膜具體成分產生影響;

2.化成溫度將對SEI膜的結構及組成產生影響。

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