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鋰電池電極裂化原因及影響

鋰電池電極裂化對于電池用戶來說是陌生的概念,從電池的開始使用到報廢,基本看不出這個問題,因為這個問題是存在電池內部的,是屬于電池研究員關注的問題,是屬于微觀方面的問題。下面就鋰電池電極裂化原因及影響做簡單的介紹,讓大家了解一下。

鋰電池電極裂化原因及影響

鋰電池在實際的使用過程中,活性顆粒常常經歷許多的不可逆的物理化學和機械過程,比如局部過度充放電,表面結構崩塌,不均勻電極/電解液界面,金屬溶解/沉淀,體積膨脹/收縮,局部溫度波動等。這些副反應之間的相互作用會導致活性顆粒內部機械或熱應力、電化學應力的累積,并進一步可誘發裂縫的產生。這種裂紋主要在應力集中以及顆粒薄弱點產生,比如顆粒表面,SEI膜,晶界等。

特別像硅基負極,在充電/放電周期內插入和脫出鋰時,體積變化達到270%,這個巨大的體積膨脹會導致硅顆粒的粉碎,以及涂層從銅集流體中分離。特別是,SEI膜會發生持續的斷裂再生成過程,不斷消耗鋰離子和活性物質,造成容量持續衰減,循環穩定性變差。

而顆粒內部產生的裂縫會導致顆粒之間接觸變差,顆粒完整性破壞,電子和離子傳輸路徑都會發生變化,導致擴散受限。結果表明,電子和離子在固相的擴散長度伴隨著裂縫的產生而增大。這又會進一步影響電化學反應,可能造成充放電局部不均勻,引起顆粒的二次裂紋。

鋰電池電極裂化是影響電池電化學性能、循環穩定性和安全性等的重要因素,其中常見的裂化現象包括:

(1)正、負極電極材料顆粒裂紋;

(2)活性物質顆粒內部晶間破碎;

(3)正極表層分層失效;

(4)負極表面SEI破裂;

(5)正極活性物質相分離;

(6)鋰金屬等負極表面枝晶。

充放電過程中,電化學反應在電極表面發生,鋰離子從表面脫出或嵌入,多次循環之后活性顆粒表面會出現了十分顯著的相變,鋰離子脫出后可能伴隨金屬溶出,材料層狀結構會變成鹽巖相結構,并且這種相結構演變向顆粒內部擴展,形成內部相分離。

在鋰離子電池的充電過程中,負極電位不斷變負,在一定條件下會引起金屬鋰在負極表面沉積的副反應。金屬鋰持續存在負極的表面,不僅會影響鋰離子電池的容量,還有可能會產生危害鋰離子電池安全的鋰枝晶。金屬鋰做負極時,枝晶更加嚴重,負極保護避免鋰枝晶成為金屬鋰電池的研究熱點。

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