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影響鋰離子電池使用壽命的因素

 鋰離子電池充放電循環過程是一個複雜的物理化學反應過程,其循環壽命影響因素是多方麵的。一方麵與電池本身的特性相關,例如設計、製造工藝和材料性能退化等;另一方麵與使用過程中電池受外界的影響有關,例如使用環境和充放電製度等。下麵就對影響鋰離子電池循環壽命的因素進行分析。


   隨著科技的發展和技術的成熟,離子電池的應用越來越廣泛。相同條件下電池容量衰減的越快,電池品質就相對較差。鋰離子電池具有單體電壓高、相對質量輕、對環境友好等優點,但是經過多個周期充放電循環後會出現電池容量等性能下降的現象。鋰離子電池的循環性能是衡量其質量的重要指標,許多關於鋰離子電池的標準都有循環壽命這一項目。


鋰離子電池結構及原理簡介

   鋰離子電池首次充放電過程中,負極和電解液的相界麵上能夠形成一層鈍化膜。它在電極與電解液之間起到隔膜作用,是電子絕緣體卻是鋰離子的優良導體,鋰離子可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,具有固體電解質的特性,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質界麵膜”(solid electrolyte interface),簡稱SEI 。鋰離子電池主要由正負極材料、電解液、隔膜、集流體和電池外殼組成,正負極材料由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時,鋰離子從正極上脫嵌下來通過電解液經隔膜嵌入負極,放電時則相反。


電池材料老化衰退的影響

   鋰離子電池充放電循環的過程即為鋰離子通過電解液在正負極材料之間來回脫嵌、移動的過程。在鋰離子電池循環過程中,除在正負極發生氧化還原反應外,還存在大量副反應。如果能將鋰離子電池的副反應降至低水平,使鋰離子通過電解液始終能順暢地往返於正負極材料之間,就能使鋰離子電池的循環壽命得以增加。鋰離子電池過充時,從正極上脫出的過量的鋰離子會沉積或嵌入到負極上,沉積的活性鋰易與溶劑反應,放出熱量使電池溫度升高。正極受熱分解放出氧氣使電解液易分解並產生大量的熱[25]。當鋰電池的放電電壓低於放電截止電壓時,就形成了過放電。在過放電的過程中,鋰離子從負極上會過度脫出,下次充電時再嵌入會比較困難。餘鍾寶等[26]對以MCMB 為負極、LiCoO2為正極的電池過放電到0 V 時,銅箔集流體遭到比較嚴重腐蝕,負極SEI 膜遭破壞,再次形成的SEI 膜性能較差,使負極阻抗增大、極化增強。電池在過放電以後的循環過程中放電容量、充放電效率大為降低。



設計和製造工藝的影響

   在電池設計過程中,材料的選擇是最重要的因素。不同的材料性能特性不同,所研發的電池性能也有差距。正負極材料匹配的循環性能好,電池的循環壽命才會長。電解液在電池可逆容量的影響上也是十分重要的因素。電極材料脫、嵌鋰離子的過程始終是與電解液相互作用的過程,這種相互作用對電極材料的界麵狀況和內部結構的變化有重要影響[3]。在與正負極材料相互作用的過程中電解液會損耗,另外在電池化成形成SEI 膜和預充電時,也會消耗部分電解液,因此電解液的種類和注液量也影響著電池壽命。


   在配料方麵,要注意正、負材料的添加量。一般來說,設計裝配過程中一般要求負極容量相對正極過量一些,如果不過量,在充電過程中負極會析出鋰,形成鋰枝晶從而影響安全性。負極相對正極過量太多,正極可能過度脫鋰,造成結構坍塌。鋰離子電池的製造工藝流程主要包括:正負極配料、塗布、製片、卷繞、入殼、注液、封口、化成等。在電池生產過程中,對每一步的流程都要求非常嚴格。任何一個流程沒有控製好都有可能影響電池循環性能。

 
    在正負極配料過程中,應注意粘結劑的添加量、攪拌速度、漿料的濃度、溫濕度,並保證物料能夠分散均勻。

循環過程中充放電製度的影響

   鋰離子電池的使用過程即充放電循環的過程,充放電電流的大小、充放電截止電壓的選擇及采用何種充放電方式等充放電製度對鋰離子電池的循環壽命也有很重要的影響。凡盲目增大電池的工作電流、增加充電截止電壓、降低放電截止電壓等都會使電池性能下降。


   通過分析可知,無論在設計製造還是使用過程中,影響鋰離子電池循環壽命的因素是多方麵的。鋰離子電池的應用越來越廣泛,對鋰電池的需求在數量和質量上都提出更高的要求。循環壽命直接影響鋰離子電池的使用時間和品質,因此生產者對其影響因素的研究是十分必要的。隻有在研發和生產過程中將影響循環壽命的各個因素都把握好,企業才能在激烈的市場競爭中占據主動地位。消費者在使用過程中應注意鋰離子電池的特性,根據說明書的提示正確使用電池。



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