1鋰離子電池結(jié)構(gòu)及原理簡介

鋰離子電池重要由正負(fù)極材料、電解液、隔膜、集流體和電池外殼組成，正負(fù)極材料由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，鋰離子從正極上脫嵌下來通過電解液經(jīng)隔膜嵌入負(fù)極，放電時(shí)則相反。在鋰離子電池首次充放電過程中，負(fù)極和電解液的相界面上能夠形成一層鈍化膜。它在電極與電解液之間起到隔膜用途，是電子絕緣體卻是鋰離子的優(yōu)良導(dǎo)體，鋰離子可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出，具有固體電解質(zhì)的特性，因此這層鈍化膜被稱為固體電解質(zhì)界面膜(solidelectrolyteinterface)，簡稱SEI膜。鋰離子電池充放電電極反應(yīng)為：

2設(shè)計(jì)和制造工藝的影響

在電池設(shè)計(jì)過程中，材料的選擇是最重要的因素。不同的材料性能特性不同，所研發(fā)的電池性能也有差距。正負(fù)極材料匹配的循環(huán)性能好，電池的循環(huán)壽命才會(huì)長。在配料方面，要注意正、負(fù)材料的添加量。一般來說，設(shè)計(jì)裝配過程中一般要求負(fù)極容量相對(duì)正極過量一些，假如不過量，在充電過程中負(fù)極會(huì)析出鋰，形成鋰枝晶從而影響安全性。負(fù)極相對(duì)正極過量太多，正極可能過度脫鋰，造成結(jié)構(gòu)坍塌。

電解液在電池可逆容量的影響上也是十分重要的因素。電極材料脫、嵌鋰離子的過程始終是與電解液相互用途的過程，這種相互用途對(duì)電極材料的界面狀況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化有重要影響。在與正負(fù)極材料相互用途的過程中電解液會(huì)損耗，另外在電池化成形成SEI膜和預(yù)充電時(shí)，也會(huì)消耗部分電解液，因此電解液的種類和注液量也影響著電池壽命。

鋰離子電池的制造工藝流程重要包括：正負(fù)極配料、涂布、制片、卷繞、入殼、注液、封口、化成等。在電池生產(chǎn)過程中，對(duì)每一步的流程都要求非常嚴(yán)格。任何一個(gè)流程沒有控制好都有可能影響電池循環(huán)性能。

在正負(fù)極配料過程中，應(yīng)注意粘結(jié)劑的添加量、攪拌速度、漿料的濃度、溫濕度，并保證物料能夠分散均勻。

在涂布過程中，在保證電池高比能量前提下，合理控制正(負(fù))極涂覆量，適當(dāng)減小電極厚度有利于降低電池衰減速率。涂布后的極片還要用輥壓機(jī)進(jìn)一步壓實(shí)，合適的正極壓實(shí)密度可以增大電池的放電容量，減小內(nèi)阻，減小極化損失，延長電池的循環(huán)壽命。

卷繞時(shí)，卷成的電芯應(yīng)緊密、不松散。隔膜和正負(fù)極卷得越緊，內(nèi)阻越小，但卷得過緊時(shí)會(huì)造成極片與隔膜濕潤困難，致使放電容量變?。痪淼锰蓵?huì)使極片在充放過程中發(fā)生過度膨脹，增大了內(nèi)阻，降低了容量，縮短了循環(huán)壽命。

3電池材料老化衰退的影響

鋰離子電池充放電循環(huán)的過程即為鋰離子通過電解液在正負(fù)極材料之間來回脫嵌、移動(dòng)的過程。在鋰離子電池循環(huán)過程中，除在正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)外，還存在大量副反應(yīng)。假如能將鋰離子電池的副反應(yīng)降至低水平，使鋰離子通過電解液始終能順暢地往返于正負(fù)極材料之間，就能使鋰離子電池的循環(huán)壽命得以新增。

鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極必然經(jīng)過覆蓋在碳負(fù)極上的SEI膜，SEI膜的好壞直接影響電池的循環(huán)壽命。國外學(xué)者對(duì)電池材料老化衰退的研究比較早，特別是對(duì)SEI膜的研究比較深入。重要的研究方法是通過電池壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合電化學(xué)表征手段來分析電池材料的穩(wěn)定性和衰退機(jī)制。

SEI膜的穩(wěn)定性對(duì)電池的穩(wěn)定性有重要影響。SEI膜不穩(wěn)定容易析出鋰金屬，會(huì)導(dǎo)致負(fù)極活性材料快速衰退，形成穩(wěn)定SEI膜的鋰離子電池可以在高溫條件下儲(chǔ)存超過4年。D.Aurbach等拆解循環(huán)后的鈷酸鋰離子電池，通過SEM、XRD等實(shí)驗(yàn)對(duì)正負(fù)極片進(jìn)行分析，將容量衰退重要?dú)w因于負(fù)極SEI膜持續(xù)消耗Li+以及正極LiCoO2和HF形成的LiF界面膜等不可逆的副反應(yīng)。P.Ramadass等通過描述充放電循環(huán)過程中負(fù)極SEI膜持續(xù)上升引起的鋰離子損失的過程，建立了容量衰退模型。S.Sankarasubramanian等建立了包含溶劑的擴(kuò)散和SEI膜的上升機(jī)制的容量衰退模型，并得出容量衰退與SEI膜厚度以及電池老化時(shí)間呈線性關(guān)系。

黃海江對(duì)進(jìn)行了200次充放電循環(huán)的鋁塑膜鋰離子電池進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：電池放電容量逐漸降低、內(nèi)阻和厚度逐漸增大。對(duì)不同循環(huán)次數(shù)的電池拆解后用實(shí)驗(yàn)觀察顯示：200次循環(huán)后正極表面出現(xiàn)很多裂紋，平均粒度下降；負(fù)極顯示SEI膜變厚，并在循環(huán)末期有鋰和鋰化合物的沉淀。鋰離子的脫出與嵌入會(huì)引起會(huì)出現(xiàn)晶格內(nèi)應(yīng)力，在這種內(nèi)應(yīng)力疲勞用途下，LiCoO2形成裂紋最終顆粒尺寸下降。

J.Vetter等對(duì)電池內(nèi)部材料隨充放電循環(huán)的老化機(jī)理進(jìn)行了深入分析，綜述了電極材料晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、活性材料與電解液的界面副反應(yīng)和粘結(jié)劑性能下降等因素都會(huì)對(duì)電池容量和功率性能出現(xiàn)影響，并對(duì)正負(fù)極老化的原因及影響進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)于負(fù)極材料，除由于SEI膜的生成、生長使陽極組分間的接觸變差導(dǎo)致阻抗的升高的因素外，重要因素有：溶劑嵌入C極出現(xiàn)氣體導(dǎo)致C顆粒破裂、循環(huán)中體積的變化引起的活性物質(zhì)顆粒間接觸變差、析出的鋰金屬與電解液反應(yīng)加速老化等。關(guān)于正極材料老化衰退的原因和影響如圖1所示。

常見的電解液的組成成分為溶劑（常用的為烷基碳酸酯類，如EC、DEC、DMC等）、鋰鹽（常用的是LiPF6、LiBF4等）和各種添加劑。正負(fù)極材料脫、嵌鋰離子的過程始終與電解液相互用途，復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)會(huì)因?yàn)檫@種用途在界面上發(fā)生，甚至?xí)霈F(xiàn)氣體或固體產(chǎn)物從而使電解液發(fā)生損耗。氣體會(huì)新增電池的內(nèi)部壓力導(dǎo)致電池變形，固體產(chǎn)物會(huì)在電極表面形成鈍化膜從而引起電池極化增大而降低電池的輸出電壓。這些因素都會(huì)對(duì)電池容量和安全出現(xiàn)不良的影響，最終影響電池的循環(huán)壽命。添加添加劑能有效改善鋰離子蓄電池的循環(huán)性能，例如在EC/DEC溶劑體系中加入微量添加劑苯甲醚。

正負(fù)極集流體的性質(zhì)也會(huì)影響電池的容量和循環(huán)壽命。鋰離子電池正、負(fù)極常用的集流體材料分別為鋁和銅，二者都是易腐蝕的金屬材料。集流體被腐蝕后形成鈍化膜、粘附性差、局部腐蝕（點(diǎn)蝕）和全面腐蝕都會(huì)使電池內(nèi)阻新增，導(dǎo)致容量損失和放電效率降低?？赏ㄟ^酸-堿浸蝕、導(dǎo)電包覆等預(yù)處理方法增強(qiáng)其粘附性和耐腐蝕性。

4電池使用環(huán)境的影響

鋰離子電池的使用環(huán)境對(duì)其循環(huán)壽命影響也是非常重要的。其中，環(huán)境溫度是十分重要的因素。環(huán)境溫度過低或過高都會(huì)影響鋰離子電池的循環(huán)壽命。

陳繼濤等研究了C/LiCoO2系鋰離子電池在－20℃條件下的充放電性能。結(jié)果顯示：電池的放電性能在低溫下變差，0.2C放電容量僅為常溫容量的77%，1C放電容量僅為0.2C放電容量的4%。低溫下恒壓充電時(shí)間新增，充電性能也明顯惡化。

鋰離子電池在低溫下放電容量減少的重要原因包括：電解液電導(dǎo)率變差、隔膜的潤濕和/或透過性變差、鋰離子的遷移速度變慢、電極/電解液界面上電荷轉(zhuǎn)移速率減緩等。另外，SEI膜的阻抗在低溫下會(huì)增大，使鋰離子通過電極/電解液界面的速度變慢。其中SEI膜的阻抗新增的原因是：鋰離子在低溫下從負(fù)極脫出較為容易，嵌入較為困難。充電時(shí)金屬鋰會(huì)出現(xiàn)并與電解液發(fā)生反應(yīng)，形成新的SEI膜覆蓋在原來的SEI膜上，使電池的阻抗增大從而導(dǎo)致電池的容量下降。

李連興等對(duì)同批鋰離子電池分別在60℃和常溫下進(jìn)行300次充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)。初始階段，60℃條件下電池表現(xiàn)出較高的放電容量。但隨著循環(huán)的進(jìn)行，電池容量衰減加快，循環(huán)穩(wěn)定性降低，后期甚至有電池發(fā)生鼓脹現(xiàn)象。高溫下鋰離子電池的充放電循環(huán)是不穩(wěn)定，高溫導(dǎo)致電池的電極電化學(xué)極化加劇和氣體的出現(xiàn)，造成鼓脹現(xiàn)象，同時(shí)電荷傳輸電阻新增，離子傳輸動(dòng)力學(xué)性能降低。

目前鋰離子電池大多用LiPF6作為電解液，由于電解液的不純或微量水催化分解導(dǎo)電鹽，電解液中含有一定酸性物質(zhì)HF。HF會(huì)與SEI膜中的重要成分ROLi、ROCO2Li等發(fā)生反應(yīng)，生成LiF沉積在負(fù)極表面。含有LiF的SEI膜會(huì)阻礙鋰離子的遷移。同時(shí)，出現(xiàn)的高阻抗物質(zhì)會(huì)使石墨顆粒之間絕緣隔離。隨著高溫充放電的進(jìn)行，負(fù)極性能會(huì)逐漸惡化最終導(dǎo)致電池失效。

使用鋰離子電池的設(shè)備在運(yùn)輸或正常工作的情況下，有可能會(huì)經(jīng)受振動(dòng)、沖擊、碰撞等條件的考驗(yàn)。某些鋰離子電池在與系統(tǒng)通信時(shí)進(jìn)行充放電并根據(jù)一定頻率接收數(shù)據(jù)信息。設(shè)備振動(dòng)時(shí)的頻率有可能對(duì)電池頻率出現(xiàn)干擾，從而引起芯片數(shù)據(jù)出錯(cuò)或引發(fā)保護(hù)電路動(dòng)作。強(qiáng)振動(dòng)或沖擊下，鋰離子電池的極耳、外部的連線、接線柱、焊點(diǎn)等可能會(huì)折斷或脫落，電池極片上的活性物質(zhì)也可能剝落，這都會(huì)影響電池的壽命甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況。

5循環(huán)過程中充放電制度的影響

鋰離子電池的使用過程即充放電循環(huán)的過程，充放電電流的大小、充放電截止電壓的選擇及采用何種充放電方式等充放電制度對(duì)鋰離子電池的循環(huán)壽命也有很重要的影響。凡盲目增大電池的工作電流、新增充電截止電壓、降低放電截止電壓等都會(huì)使電池性能下降。

不同電化學(xué)體系的鋰離子電池的充放電截止電壓不同。在鋰離子電池充電過程中凡超過充電截止電壓就認(rèn)為發(fā)生了過充電。K.Maher等將LiCoO2電池的充電截止電壓依次從4.2V設(shè)置到4.9V，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的電極材料進(jìn)行了X射線衍射和Raman光譜實(shí)驗(yàn)，表明石墨負(fù)極和鈷酸鋰正極均發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變，通過測(cè)試不同截止電壓充電后的電極不同SOC的熵變曲線，也同樣發(fā)現(xiàn)電極材料發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變。鋰離子電池過充時(shí)，從正極上脫出的過量的鋰離子會(huì)沉積或嵌入到負(fù)極上，沉積的活性鋰易與溶劑反應(yīng)，放出熱量使電池溫度升高。正極受熱分解放出氧氣使電解液易分解并出現(xiàn)大量的熱。當(dāng)鋰離子電池的放電電壓低于放電截止電壓時(shí)，就形成了過放電。在過放電的過程中，鋰離子從負(fù)極上會(huì)過度脫出，下次充電時(shí)再嵌入會(huì)比較困難。余鐘寶等對(duì)以MCMB為負(fù)極、LiCoO2為正極的電池過放電到0V時(shí)，銅箔集流體遭到比較嚴(yán)重腐蝕，負(fù)極SEI膜遭破壞，再次形成的SEI膜性能較差，使負(fù)極阻抗增大、極化增強(qiáng)。電池在過放電以后的循環(huán)過程中放電容量、充放電效率大為降低。