浅谈锂离子电池衰降机理-上中下全篇_图文.docxVIP

浅谈锂离子电池衰降机理（上篇）来源:新能源Leader??作者:凭栏眺北极星储能网讯:手机现在已经成为大家的日常生活必需品，想必大家都有体验，随着手机使用时间的增加，手机的待机时间也会变得越来越短，本来一天一充就可以满足使用需求，现在需要每天两充才行，直到最后，一天两充也解决不了问题，这就是我们常说的手机电池不行了，我们一般称之为锂离子电池“寿命衰降”。究竟是什么原因导致了锂离子电池寿命的降低呢?在回答这个问题之前，我们首先要熟悉一个概念，何为锂离子电池的寿命?一般来说，我们将锂离子电池在循环过程中容量下降到初始容量的80%时所经过的循环次数，定义为锂离子电池的寿命。手机是需要经常更换的电子产品，因此一般电池厂家会将手机锂离子电池的寿命设计在500次左右，也就是说如果我们每天为手机充一次电，大概经过一年半左右的时间，我们的手机电池的容量就会下降到初始容量的80%左右，这也就是我们感受到手机的电量越来越不足的原因所在。当然这并不是说让大家尽量不充电、少充电，而是需要科学的、合理的充电，在文章的最后，小编会为大家介绍一些如何为手机充电的小窍门，希望对大家能够有所帮助。下面我们就来了解以下，为什么锂离子电池在使用的过程中，会发生衰降呢?首先我们必须清楚，在锂离子电池的内部，除了正常的锂离子嵌入和脱嵌正负极的反应，还会存在很多副反应，例如SEI膜的生成和生长，电解液分解，粘结剂分解，正负极活性物质破裂等等因素，都会造成锂离子电池的容量下降。虽然造成锂离子电池衰降的因素很多，但是归结起来可以分为三个大类：锂损失，由于锂离子电池是一个封闭系统，内部的物质是恒定的，SEI膜的生成、破坏，负极析锂等都会消耗仅有的Li资源;正极活性物质损失，在锂离子电池使用的过程中往往会发生正极材料颗粒破碎，粘结剂分解和正极材料晶体结构改变等因素，这些都会导致一部分正极活性物质失去嵌锂等能力;负极活性物质损失，例如负极活性物质脱落，粘结剂分解等因素，都会导致部分负极活性物质颗粒失去与导电网络的导电连接，从而使其无法嵌锂，造成锂离子电池容量损失。虽然我们对上述导致锂离子电池衰降可能的机理作出了假设，并作出相关的模型，但是目前既缺乏相应的检测手段，也缺少相关的试验证据支持。我们以某方形锂离子电池为例，该电池在C/25的小倍率下充满电进行解剖，发现其中的一只电池的一片负极极片存在明显的嵌锂不均匀现象，如上图所示，但是实际上相同批次的电池的容量仅仅相差0.2%，而这只有一片不均匀负极的电池反而呈现出了最高的容量，因此传统的筛选手段很难区别出存在这一缺陷的电池，但是负极极片嵌锂不均匀会导致锂离子电池的长期循环性能下降。近日，英国牛津大学的Christoph R. Birkl提出了利用电池的开路电压对锂离子电池进行检测的方法。锂离子电池的开路电压是正极和负极之间的电势差，反应了锂离子电池的热力学特性，因此能够为我们提供丰富的关于正负极的信息。Christoph R. Birkl利用扣式电池对造成锂离子电池衰降的三种模式对电池开路电压的影响进行了试验验证，发现通过对电池的开路电压曲线的检测，就可以辨别出造成电池衰降的模式。可以说Christoph R. Birkl的工作，为锂离子电池系统的管理作出了突破性的贡献。Christoph R. Birkl利用从某商业方形电池拆下的电极制作成了扣式电池，并模拟了三种锂离子电池衰降模式：锂损失;负极（Negative?Electrode）活性物质损失;正极（Positive Electrode）活性物质损失。为了保证试验的准确性，所有实验电池都需要首先在恒温箱里稳定3h，以达到热平衡。在试验中测得了两种电压，一种是在充放电过程中测得的电压，这也被称作假电压，假电压可以用来辅助判断锂离子电池的衰降模式。而真正能够对判断锂离子电池衰降模式的是锂离子电池的开路电压。首先Christoph R. Birkl根据扣式电池极片的面积计算得到了扣式电池的理论容量，然后通过对正极极片进行充电脱锂模拟了不同程度的锂锂离子损失，通过对负极极片进行裁切模拟了负极活性物质损失，对正极极片裁切模拟了正极活性物质损失。为了对试验结果进行分析，Christoph R. Birkl利用柱状图建立了一个物理模型，如上图所示，其中左侧为负极的SoC状态，右侧为正极的SoC状态，上图模型为正常电池的模型，从图上可以看到在正常电池设计中，一般会负极的容量设计的稍微高一些，这一般称作正负极冗余，适当的冗余可以保证锂离子电池循环性能，也能在锂离子电池发生过充的情况下能够容纳足够的锂，确保锂不析出，保证电池的安全性。在该篇中，我们主要介绍了造成锂离子电池衰降的可能原因，以及Christoph R. Birkl根据这些可能的因素，制作的扣式模拟电池，模拟了：1)锂损失;2)正极活性