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杂质还原
(1)电解液中水含量过高会生成LiOH(s)和Li2O沉积层,不利于锂离子嵌入,造成不可逆容量损失:
H2O+e→OH-+1/2H2
OH-+Li+→LiOH(s)
LiOH+Li++e-→Li2O(s)+1/2H2
生成LiOH(s)在电极表面沉积,形成电阻很大的表面膜,阻碍Li+嵌入石墨电极,从而导致不可逆容量损失。溶剂中微量水(100-300×10-6)对石墨电极性能没影响。
(2)溶剂中的CO2在负极上能还原生成CO和LiCO3(s):
2CO2+2e-+2Li+→Li2CO3+CO
CO会使电池内压升高,而Li2CO3(s)使电池内阻增大影响电池性能。
(3)溶剂中的氧的存在也会形成Li2O
1/2O2+2e-+2Li+→Li2O
因为金属锂与完全嵌锂的碳之间电位差较小,电解液在碳上的还原与在锂上的还原类似。
三、自放电
自放电是指锂离子电池在未使用状态下,电容量自然损失的现象。锂离子电池自放电导致容量损失分两种情况:
一是可逆容量损失;
二是不可逆容量的损失。
可逆容量损失是指损失的容量能在充电时恢复,而不可逆容量损失则相反,正负极在充电状态下可能与电解质发生微电池作用,发生锂离子嵌入与脱嵌,正负极嵌入和脱嵌的锂离子只与电解液的锂离子有关,正负极容量因此不平衡,充电时这部分容量损失不能恢复。如:
锂锰氧化物正极与溶剂会发生微电池作用产生自放电造成不可逆容量损失:
LiyMn2O4+xLi++xe-→Liy+xMn2O4
溶剂分子(如PC)在导电性物质碳黑或集流体表面上作为微电池负极氧化:
xPC→xPC-自由基+xe-
同样,负极活性物质可能会与电解液发生微电池作用产生自放电造成不可逆容量损失,电解质(如LiPF6)在导电性物质上还原:
PF5+xe-→PF5-x
充电状态下的碳化锂作为微电池的负极脱去锂离子而被氧化:
LiyC6→Liy-xC6+xLi+++xe-
自放电影响因素:正极材料的制作工艺,电池的制作工艺,电解液的性质,温度,时间。
自放电速率主要受溶剂氧化速率控制,因此溶剂的稳定性影响着电池的贮存寿命。
溶剂的氧化主要发生在碳黑表面,降低碳黑表面积可以控制自放电速率,但对于LiMn2O4正极材料来说,降低活性物质表面积同样重要,同时集电体表面对溶剂氧化所起的作用也不容忽视。
通过电池隔膜而泄漏的电流也可以造成锂离子电池中的自放电,但该过程受到隔膜电阻的限制,以极低的速率发生,并与温度无关。考虑到电池的自放电速率强烈地依赖于温度,故这一过程并非自放电中的主要机理。