电池性能的影响因素

电池性能的影响因素
锂电池内部复杂的电化学过程,理解起来有一定难度,这里先说结论。
锂电池容量的衰减来自于电极材料的损失和电解质的分解;而电池阻抗的增加来自于电荷传导过程中阻力的上升;电池结构的破坏则会导致容量损失。
锂电池寿命可以分为两种概念,一种是日历寿命,另一种是循环寿命。锂电池还有一种情况,就是在操作不当,事故等情况下造成电池寿命在短时间内快速衰减。
先从电池内部开始,讨论一些影响电池寿命的因素,再结合温度,电压,充放电深度,电流说明。
目前的锂电池,不论是三元,锰酸锂还是磷酸铁锂等各种正极材料,配备的负极基本都是石墨材质。石墨材质的负极不能与电解质稳定相融,在两者刚接触的时候会形成一层固体电解质界面即SEI膜(solid electrolyte interface)关于SEI的具体内容会在另一篇文章里呈现。
SEI膜上的空隙允许锂离子进出,又可以将电解液与石墨隔离开,同时,相对于电子导电,它又是绝缘体,不允许电子通过。这种性质对于锂电池来说非常的好,SEI是维持锂电池稳定的重要结构之一。
在日历寿命以及循环寿命中,SEI并非静止,正常情况下SEI会慢慢增长厚度且有一定程度的破损,而破损的部分也会因为石墨与电解液的再次接触而形成新的SEI膜,在形成以及修复的过程中,需要消耗锂离子,但高质量的SEI膜也是锂电池长循环寿命的必备条件。
而电池由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的
内力,也就是应力作用,会使SEI的孔洞发生变形,使得离子通道不再通畅。
这些微观上的变化,使得电池对外表现出内阻增加,容量下降,充电能力变差等寿命衰退的现象。
析锂现象应该都听过,可以说是锂电池的第一大难题,目前对于这种现象的研究不是特别透彻,没有太好的解决办法,但是多数人认可的原因是,由于负极嵌锂空间不足,锂离子迁移阻力过大,锂离子过快从正极脱出但无法等量嵌入负极等异常引起的无法嵌入负极的锂离子只能在负极表面得到电子,从而形成银白的锂单质的现象。也就是枝晶生长。枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。一方面枝晶生长可能破坏隔膜导致短路,引发热失控。另一方面锂单质非常活泼,在低温下就可以发生剧烈反应,当电池自生热,累计过多热量,锂单质可能发生剧烈反应,也是热失控的主要原因之一。
而大量锂离子形成锂单质的原因,被认为主要是在充电过程中发生,下面结合温度,电压,充放电深度,电流说明。
锂电池中的锂离子主要来源是阴极材料。锂离子存放在材料的晶格结构中,在充放电过程中
脱出或嵌入。正常应用锂电池,阴极材料主要的老化形式有两个。一是晶格结构的塌陷局部材料从总体中脱落带来的活性物质总量减少;二是电解质与阴极材料的副反应的消耗。于是可以脱出的锂离子数量以及存放锂离子的空位的数量相应减少。如果遇到不当操作滥用,阴极材料因为种种应力作用而出现晶体的大规模破裂,则在短时间内就形成大量的活性物质损失。在电池外部特性上直接的表现为容量的减少;由于晶格结构的局部变化,离子进出的通路被阻断,至少是延长了离子在固体结构中扩散的路径,则电池内阻就会上升。
之前也说过,需要SEI膜的保护,电解质与石墨才能减少反应:而电解质与阴极也有微量的副反应存在,副反应会随着温度的升高而加剧。这些副反应消耗电解质,减少导电离子,产生气体。
电解质作为电池内部锂离子在正负极之间运动的路,不论是电解质的粘稠程度还是锂离子的密度,都会直接影响电荷传递的速率和对离子运动速率的不同阻碍程度 。表现出来就是电池的电阻。
以上是电池内部微观上寿命影响因素的讨论,下面就结合温度,电压,充放电深度,电流说明对电池寿命的影响因素。
1.温度
温度可以说是锂电池的最主要影响因素,上面也说到锂电池是电化学电源,内部有复杂的电化学过程,而温度是绝大部分化学反应过程活跃程度的决定因素。
高温,电化学反应更活跃,电池在性能上有更好的表现,比如放电能力增强,内阻减小等。但是高温会使得电解质与正负极材料之间的副反应加剧,加快消耗电解质,正负极材料与锂离子,这种损失是永久的,会造成电池容量的衰减以及内阻的上升。
低温遇高温相反,副反应水平低,而电池内部化学活性也降低,活性物质的单点能力也会降低。如果这种情况大电流放电,电极材料由于无法达到负载要求,会造成阴极材料结构破坏;低温大电流充电,则可能产生析锂,枝晶生长问题。

本文发布于:2024-09-24 06:25:16,感谢您对本站的认可!

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