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。
(3)钝化膜的形成要消耗锂离子,这会导致两极间容量失衡而造成整个电池比容量降低。
(4)如果钝化膜上有裂缝,则溶剂分子能透入,使钝化膜加厚,这样不但消耗更多的锂,而且有可能阻塞碳表面上的微孔,导致锂无法嵌入和脱出,造成不可逆容量损失。在电解液中加一些无机添加剂,如CO2,N2O,CO,SO2等,可加速钝化膜的形成,并能抑制溶剂的共嵌和分解,加入冠醚类有机添加剂也有同样的效果,其中以12冠4醚最佳。
成膜容量损失的因素
(1)工艺中使用碳的类型;
(2)电解液成份;
(3)电极或电解液中添加剂。
离子交换反应从活性物质粒子表面向其核心推进,形成的新相包埋了原来的活性物质,粒子表面形成了离子和电子导电性较低的钝化膜,因此贮存之后的尖晶石比贮存前具有更大的极化。
通过对电极材料循环前后的交流阻抗谱的比较分析发现,随着循环次数的增加,表面钝化层的电阻增加,界面电容减小。反映出钝化层的厚度是随循环次数而增加的。锰的溶解及电解液的分解导致了钝化膜的形成,高温条件更有利于这些反应的进行。这将造成活性物质粒子间接触电阻及Li+迁移电阻的增大,从而使电池的极化增大,充放电不完全,容量减小。
2、电解液的还原机理
电解液中常常含有氧、水、二氧化碳等杂质,在电池充放电过程中发生氧化还原反应。
电解液的还原机理包括溶剂还原、电解质还原及杂质还原三方面:
①溶剂的还原
PC和EC的还原包括一电子反应和二电子反应过程,二电子反应形成Li2CO3:
在第一次放电过程中,电极电势接近O.8V(vs.Li/Li+)时,PC/EC在石墨上发生电化学反应,生成CH=CHCH3(g)/CH2=CH2(g)和LiCO3(s),导致石墨电极上的不可逆容量损失。
对各种电解液在金属锂电极和碳基电极上还原机理及其产物进行了广泛的研究,发现PC的一电子反应机理产生ROCO2Li和丙烯。ROCO2Li对痕量水很敏感,有微量水存在时主要产物为Li2CO3和丙稀,但在干燥情况下并无Li2CO3产生。
DEC的还原:
Ein-Eli Y报道,由碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)混合而成的电解液,在电池中会发生交换反应,生成碳酸甲乙酯(EMC),对容量损失产生一定的影响。
②电解质的还原
电解质的还原反应通常被认为是参与了碳电极表面膜的形成,因此其种类及浓度都将影响碳电极的性能。在某些情况下,电解质的还原有助于碳表面的稳定,可形成所需的钝化层。
一般认为,支持电解质要比溶剂容易还原,还原产物夹杂于负极沉积膜中而影响电池的容量衰减。几种支持电解质可能发生的还原反应如下: