磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池容量衰減的原因

來源：存能電氣  日期：2019-06-24 14:24  瀏覽量：次

　　磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池容量衰減的原因。隨著動力電池能量密度的不斷提升，三元材料的動力電池越來越受到人們的關注，而作為早已普及使用的磷酸鐵鋰材料，有很多一部分已經退役或者已經接近退役。對循環(huán)后的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池進行深入的分析，找出容量衰減的原因，對以后電池性能的提升有著重要的指導意義。

　　磷酸鐵鋰電池容量衰減的原因

　　1、鋰電池內阻，尤其是極化內阻的不一致，使得個別電池在充放電過程中電壓變化劇烈，從而導致整個電池組的變化劇烈。

　　2、單體超薄電池電壓的不一致，將影響電池的調峰能力，使得整體磷酸鐵鋰電池放出的能量降低。

　　3、由于超薄電池工作中有放熱和吸熱過程，電池溫度會不斷變化，當過熱時，會帶來性能下降和安全隱患，事實證明，近年發(fā)生的電動汽車運營和測試起火的導火索都是因為過溫保護不到位引起電池發(fā)熱起火的，電池類型不但有錳酸鋰，磷酸鐵鋰電池也是如此。

　　4、容量是離散性中最嚴重的因素，容量不一致主要引起兩個方面的性能問題，一是部分磷酸鐵鋰電池會處于過充過放狀態(tài)，導致燃燒、爆炸等不安全因素，二是低容量單體電池因為提早結束工作，影響到整個超薄電池組中其他單體電池的能量不能完全釋放，從而引起整個磷酸鐵鋰電池的壽命衰減。

　　5、電解液的氧化分解與界面反應

　　電解液的性質顯著影響鋰離子電池的比容量、壽命、倍率充放電性能、工作溫度范圍以及安全性能等。電解液主要包括溶劑、電解質和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質的分解都會導致電池容量的損失。

　　6、溫度絕對是影響磷酸鐵鋰電池壽命的關鍵因素之一，過高的溫度或過低的溫度都會造成活性鋰離子含量的降低，從而減少鋰電池壽命。

　　三元鋰電池容量衰減的原因

　　一、正極材料的結構變化

　　正極材料是鋰離子的主要來源，當鋰離子從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會被氧化到達一個高的氧化態(tài)，這里就伴隨了組分的轉變。組分的轉變容易導致相轉移和體相結構的變化。電極材料相轉變可以引起晶格參數的變化及晶格失配，由此產生的誘導應力引起晶粒的破碎，并引發(fā)裂紋的傳播，造成材料的結構發(fā)生機械破壞，從而引起電化學性能衰減。

　　二、負極材料結構

　　商業(yè)化鋰電池常用的負極材料有碳材料、鈦酸鋰等，本文以典型負極石墨進行分析。鋰電池容量的衰減第一次發(fā)生于化成階段，在這個階段會在負極表面形成SEI，消耗部分鋰離子。

　　隨著鋰電池使用，石墨結構的變化也會造成電池容量下降。LIU等研究了LiFePO4/C電池的容量衰減機制，同樣適用于三元鋰電池，研究發(fā)現循環(huán)后的碳材料雖然保持了石墨的形貌結構，但是其晶面的半高寬變大，導致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結構的改變導致碳材料出現裂紋，進而破壞負極表面的SEI膜并促進SEI膜的修復，SEI膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了電池的不可逆容量衰減。

　　三、電解液的氧化分解與界面反應

　　電解液的性質顯著影響鋰離子電池的比容量、壽命、倍率充放電性能、工作溫度范圍以及安全性能等。電解液主要包括溶劑、電解質和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質的分解都會導致電池容量的損失。電解液的分解和副反應是鋰電池容量衰減的主要因素，無論采用何種正負極材料、何種工藝，隨著鋰電池循環(huán)使用，電解液的分解及與正負極材料間發(fā)生的界面反應都會造成容量的衰減。

　　通過引入Co減少陽離子混合占位情況，有效穩(wěn)定材料的層狀結構，引入Mn則可以降低成本提高材料的安全性和穩(wěn)定性。三元材料具有更優(yōu)異的電化學性能和穩(wěn)定性，已經被世界主流鋰電廠商接受，應用于電動車、3C等領域。四、鋰電池使用條件

　　不得不提的是鋰電池的使用環(huán)境和條件對其容量的損害：(1)鋰電池濫用；(2)溫度因素。

　　影響鋰電池容量衰減的本質是可脫嵌鋰離子含量的降低，其因素主要是正負極材料的結構破壞或失活、電解液的分解、鋰電池的濫用等等。電池的充放電過程是一個復雜的電化學過程，導致電池容量衰減的因素也不是單一的，并且一個方面的惡化有可能會引發(fā)其他因素來共同影響電池的容量、循環(huán)性能、能量密度等。通過以上因素的分析，我們可以采取針對性的方案減少容量的損失，延長鋰電池使用壽命。