锂离子电池是一种继镉镍、氢镍电池之后发展最快的二次清洁可再生能源,具有工作电压高,质量轻,能量密度大等优点,被广泛应用于电动工具,数码相机,手机,笔记本电脑等领域,并且未来发展趋势可观。锂离子电池的高能特性让它的未来看起来一片光明。但是,锂离子电池也并不完美,其最大的问题就是它的充放电循环的稳定性。本文总结并分析了锂离子电池容量衰减的可能原因,包括过充电,电解液分解及自放电。
正极过充导致容量损失主要是由于电化学惰性物质(如Co3O4,Mn2O3等)的产生,破坏了电极间的容量平衡,其容量损失是不可逆的。
① LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4+O2(g)]+yLiCoO2 y<0.4
同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应(如生成H2O)与电解液分解产生的可燃性气体同时积累,后果将不堪设想。
② λ-MnO2
锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂的状态下:λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)
3、电解液在过充时氧化反应
当压高于4.5V时电解液就会氧化生成不溶物(如Li2Co3)和气体,这些不溶物会堵塞在电极的微孔里面阻碍锂离子的迁移而造成循环过程中容量损失。
影响氧化速率因素:
①正极材料表面积大小
②集电体材料
③所添加的导电剂(炭黑等)
④炭黑的种类及表面积大小
在目前较常用电解液中,EC/DMC被认为是具有最高的耐氧化能力。溶液的电化学氧化过程一般表示为:溶液→氧化产物(气体、溶液及固体物质)+ne-
任何溶剂的氧化都会使电解质浓度升高,电解液稳定性下降,最终影响电池的容量。假设每次充电时都消耗一小部分电解液,那么在电池装配时就需要更多的电解液。对于恒定的容器来说,这就意味着装入更少量的活性物质,这样会造成初始容量的下降。此外,若产生固体产物,则会在电极表面形成钝化膜,这将引起电池极化增大而降低电池的输出电压
二、电解液分解(还原)
1、在电极上分解
①电解质在正极上分解:
电解液由溶剂和支持电解质组成,在正极分解后通常形成不溶性产物Li2Co3和LiF等,通过阻塞电极的孔隙而降低电池容量,电解液还原反应对电池的容量和循环寿命会产生不良影响,并且由于还原产生了气体会使电池内压升高,从而导致安全问题。
正极分解电压通常大于4.5V(相对于Li/Li+),所以,它们在正极上不易分解。相反,电解质在负极较易分解。
②电解质在负极上分解:
电解液在石墨和其它嵌锂碳负极上稳定性不高,容易反应产生不可逆容量。初次充放电时电解液分解会在电极表面形成钝化膜,钝化膜能将电解液与碳负极隔开阻止电解液的进一步分解。从而维持碳负极的结构稳定性。理想条件下电解液的还原限制在钝化膜的形成阶段,当循环稳定后该过程不再发生。
钝化膜的形成
电解质盐的还原参与钝化膜的形成,有利于钝化膜的稳定化,但是
(1)还原产生的不溶物对溶剂还原生成物会产生不利影响;
(2)电解质盐还原时电解液的浓度减小,最终导致电池容量损失(LiPF6还原生成LiF、LixPF5-x、PF3O和PF3);