锂离子电池容量衰减原因分析 mic
最全最经典的锂离子电池容量衰减原因分析
本质原因
锂离子电池在两个电极间发生嵌入反应时具有不同的嵌入能量，而为了得到电池的最佳性能，两个宿主电极的容量比应该保持一个平衡值。在锂离子电池中，容量平衡表示成为正极对负极的质量比，即：
γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
式中C指电极的理论库仑容量，Δx、Δy分别指嵌入负极及正极的锂离子的化学计量数。从上式可以看出，两极所需要的质量比依赖于两极相应的库仑容量及其各自可逆锂离子的数目。一般说来，较小的质量比导致负极材料的不完全利用；较大的质量比则可能由于负极被过充电而存在安全隐患。总之在最优化的质量比处，电池性能最佳。
对于理想的Li-ion电池系统，在其循环周期内容量平衡不发生改变，每次循环中的初始容量为一定值，然而实际上情况却复杂得多。任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应都可能导致电池容量平衡的改变，一旦电池的容量平衡状态发生改变，这种改变就是不可逆的，并且可以通过多次循环进行累积，对电池性能产生严重影响。
在锂离子电池中，除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外，还存在着大量的副反应，如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等，如图1所示。Arora等[3]将这些容量衰减的过程与半电池的放电曲线对照起来，使得我们可以清楚地看出电池工作时发生容量衰减的可能性及其原因，如图2所示。
一、过充电
1、石墨负极的过充反应：
电池在过充时，锂离子容易还原沉积在负极表面：Li＋＋e→Li（s），沉积的锂包覆在负极表面，阻塞了锂的嵌入。【电源网】【李伟善】【黄可龙】【阮艳莉】导致放电效率降低和容量损失，原因有：
①可循环锂量减少；【电源网】【李伟善】【阮艳莉】
②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3，LiF 或其他产物；
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③金属锂通常形成于负极与隔膜之间，可能阻塞隔膜的孔隙增大电池内阻。
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④由于锂的性质很活泼，易与电解液反应而消耗电解液.从而导致放电效率降低和容量的损失。【黄可龙】
快速充电，电流密度过大，负极严重极化，锂的沉积会更加明显。这种情况容易发生在正极活性物相对于负极活性物过量的场合，【电源网】
但是，在高充电率的情况下，即使正负极活性物的比例正常，也可能发生金属锂的沉积。【李伟善】
2、正极过充反应
当正极活性物相对于负极活性物比例过低时，容易发生正极过充电。
【李伟善】
正极过充导致容量损失主要是由于电化学惰性物质（如Co3O4，Mn2O3 等）的产生，破坏了电极间的容量平衡，其容量损失是不可逆的。
（1）LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4
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同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应（如生成H2O）与电解液分解产生的可燃性气体同时积累，后果将不堪设想。【电源网】【黄可龙】
（2）λ-MnO2
锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂的状态下：
λ-MnO2→Mn2O3+O2(g) 【李伟善】【黄可龙】
3、电解液在过充时氧化反应
当压高于4.5V 时电解液就会氧化生成不溶物（如Li2Co3）和气体，这些不溶物会堵塞在电极的微孔里面阻碍锂离子的迁移而造成循环过程中容量损失。
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影响氧化速率因素：
正极材料表面积大小【电源网】【黄可龙】
集电体材料【电源网】【黄可龙】
所添加的导电剂（炭黑等）【电源网】【黄可龙】
炭黑的种类及表面积大小【电源网】【黄可龙】
在目前较常用电解液中，EC/DMC被认为是具有最高的耐氧化能力。
溶液的电化学氧化过程一般表示为：溶液→氧化产物(气体、溶液及固体物质)+ne- 任何溶剂的氧化都会使电解质浓度升高，电解液稳定性下降，最终影响电池的容量。假设每次充电时都消耗一小部分电解液，那么在电池装配时就需要更多的电解液。对于恒定的容器来说，这就意味着装入更少量的活性物质，这样会造成初始容量的下降。此外，若产生固体产物，则会在电极表面形成钝化膜，这将引起电池极化增大而降低电池的输出电压。【阮艳莉】
二、电解液分解（还原）
I在电极上分解
1、电解质在正极上分解：
电解液由溶剂和支持电解质组成，在正极分解后通常形成不溶性产物Li2Co3 和LiF等，通过阻塞电极的孔隙而降低电池容量，电解液还原反应对电池的容量和循环寿命会产生不良影响，并且由于还原产生了气体会使电池内压升高，从而导致安全问题。【电源网】【李伟善】正极分解电压通常大于4.5V(相对于Li/ Li+)，所以，它们在正极上不易分解。相反，电解质在负极较易分解。【李伟善】
2、电解质在负极上分解：
电解液在石墨和其它嵌锂碳负极上稳定性不高，容易反应产生不可逆容量。初次充放电时电解液分解会在电极表面形成钝化膜，钝化膜能将电解液与碳负极隔开阻止电解液的进一步分解。从而维持碳负极的结构稳定性。理想条件下电解液的还原限制在钝化膜的形成阶段，当循环稳定后该过程不再发生。【电源网】【黄可龙】
钝化膜的形成
电解质盐的还原参与钝化膜的形成，有利于钝化膜的稳定化，但
（1）还原产生的不溶物对溶剂还原生成物会产生不利影响；【电源网】
（2）电解质盐还原时电解液的浓度减小，最终导致电池容量损失（LiPF6 还原生成LiF、LixPF5－x、PF3O 和PF3）；【电源网】【黄可龙】
（3）钝化膜的形成要消耗锂离子，这会导致两极间容量失衡而造成整个电池比容量降低。【电源网】
（4）如果钝化膜上有裂缝，则溶剂分子能透入，使钝化膜加厚，这样不但消耗更多的锂，而且有可能阻塞碳表面上的微孔，导致锂无法嵌入和脱出，造成不可逆容量损失。在电解液中加一些无机添加剂，如CO2，N2O，CO，SO2和Sx2-等，可加速钝化膜的形成，并能抑制溶剂的共嵌和分解，加入冠醚类有机添加剂也有同样的效果，其中以12冠4醚最佳。【黄可龙】
成膜容量损失的因素：
（1）工艺中使用碳的类型；【电源网】
（2）电解液成份；【电源网】
（3）电极或电解液中添加剂。【电源网】
Blyr认为离子交换反应从活性物质粒子表面向其核心推进，形成的新相包埋了原来的活性物质，粒子表面形成了离子和电子导电性较低的钝化膜，因此贮存之后的尖晶石比贮存前具有更大的极化。Zhang通过对电极材料循环前后的交流阻抗谱的比较分析发现，随着循环次数的增加，表面钝化层的电阻增加，界面电容减小。反映出钝化层的厚度是随循环次数而增加的。锰的溶解及电解液的分解导致了钝化膜的形成，高温条件更有利于这些反应的进行。这将造成活性物质粒子间接触电阻及Li+迁移电阻的增大，从而使电池的极化增大，充放电不完全，容量减小。【刘庆国】
II电解液的还原机理
电解液中常常含有氧、水、二氧化碳等杂质，在电池充放电过程中发生氧化还原反应。【黄可龙】
电解液的还原机理包括溶剂还原、电解质还原及杂质还原三方面：【阮艳莉】
1、溶剂的还原
PC和EC的还原包括一电子反应和二电子反应过程，二电子反应形成Li2CO3：【李伟善】【李伟善】【阮艳莉】
Fong等认为，在第一次放电过程中，电极电势接近O.8V(vs.Li/Li+)时，PC/EC在石墨上发生电化学反应，生成CH=CHCH3(g)/CH2=CH2(g)和LiCO3 (s)，导致石墨电极上的不可逆容量损失。
Aurbach等对各种电解液在金属锂电极和碳基电极上还原机理及其产物进行了广泛的研究，发现PC的一电子反应机理产生ROCO2Li和丙烯。ROCO2Li对痕量水很敏感，有微量水存在时主要产物为Li2CO3和丙稀，但在干燥情况下并无Li2CO3产生。
DEC的还原：
【阮艳莉】
Ein-Eli Y报道，由碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)混合而成的电解液，在电池中会发生交换反应，生成碳酸甲乙酯(EMC)，对容量损失产生一定的影响。
2、电解质的还原
电解质的还原反应通常被认为是参与了碳电极表面膜的形成，因此其种类及浓度都将影响碳电极的性能。在某些情况下，电解质的还原有助于碳表面的稳定，可形成所需的钝化层。【阮艳莉】
一般认为，支持电解质要比溶剂容易还原，还原产物夹杂于负极沉积膜中而影响电池的容量衰减。几种支持电解质可能发生的还原反应如下：
【李伟善】【阮艳莉】
最后一步：【阮艳莉】
3、杂质还原
（1）电解液中水含量过高会生成LiOH(s)和Li2O 沉积层，不利于锂离子嵌入，造成不可逆容量损失：
H2O＋e→OH－＋1/2H2
OH－＋Li＋→LiOH(s)
LiOH＋Li＋＋e→Li2O(s)＋1/2H2 【电源网】【李伟善】【黄可龙】【阮艳莉】
生成LiOH(s)在电极表面沉积，形成电阻很大的表面膜，阻碍Li+嵌入石墨电极，从而导致不可逆容量损失。【黄可龙】
溶剂中微量水(100-300×10-6)对石墨电极性能没影响。【黄可龙】
（2）溶剂中的CO2 在负极上能还原生成CO 和LiCO3(s)：
2CO2＋2e＋2Li＋→Li2CO3＋CO
CO 会使电池内压升高，而Li2CO3（s）使电池内阻增大影响电池性能。
【电源网】【李伟善】
（3）溶剂中的氧的存在也会形成Li2O
1/2O2+2e+2Li+→Li2O 【李伟善】【阮艳莉】
因为金属锂与完全嵌锂的碳之间电位差较小，电解液在碳上的还原与在锂上的还原类似。
三、自放电
自放电是指电池在未使用状态下，电容量自然损失的现象。锂离子电池自放电导致容量损失分两种情况：一是可逆容量损失；二是不可逆容量的损失。可逆容量损失是指损失的容量能在充电时恢复，而不可逆容量损失则相反，正负极在充电状态下可能与电解质发生微电池作用，发生锂离子嵌入与脱嵌，正负极嵌入和脱嵌的锂离子只与电解液的锂离子有关，正负极容量因此不平衡，充电时这部分容量损失不能恢复。如：
锂锰氧化物正极与溶剂会发生微电池作用产生自放电造成不可逆容量损失：
LiyMn2O4+xLi++xe→Liy+xMn2O4 【电源网】【李伟善】【阮艳莉】
溶剂分子(如PC)在导电性物质碳黑或集流体表面上作为微电池负极氧化:
xPC→xPC-自由基+xe 【李伟善】
同样，负极活性物质可能会与电解液发生微电池作用产生自放电造成不可逆容量损失，电解质(如LiPF6)在导电性物质上还原：
PF5+xe→PF5-x
【李伟善】
充电状态下的碳化锂作为微电池的负极脱去锂离子而被氧化:
LiyC6→Liy-xC6+xLi++xe 【李伟善】
自放电影响因素：
正极材料的制作工艺；【电源网】【黄可龙】
电池的制作工艺；【电源网】【黄可龙】
电解液的性质；【电源网】【黄可龙】
温度；【电源网】【黄可龙】
时间。【电源网】【黄可龙】
自放电速率主要受溶剂氧化速率控制，因此溶剂的稳定性影响着电池的贮存寿命。【电源网】【黄可龙】【阮艳莉】
溶剂的氧化主要发生在碳黑表面，降低碳黑表面积可以控制自放电速率，【阮艳莉】【黄可龙】但对于LiMn2O4正极材料来说，降低活性物质表面积同样重要，同时集电体表面对溶剂氧化所起的作用也不容忽视。【黄可龙】
通过电池隔膜而泄漏的电流也可以造成锂离子电池中的自放电，但该过程受到隔膜电阻的限制，以极低的速率发生，并与温度无关。考虑到电池的自放电速率强烈地依赖于温度，故这一过程并非自放电中的主要机理。【阮艳莉】
如果负极处于充足电的状态而正极发生自放电，电池内容量平衡被破坏，将导致永久性容量损失。【电源网】【黄可龙】
长时间或经常自放电时，锂有可能沉积在碳上，增大两极间容量不平衡程度。【电源网】【黄可龙】
Pistoia等比较了3种主要金属氧化物正极在各种不同电解液中的自放电速率，发现自放电速率随电解液不同而不同。并指出自放电的氧化产物堵塞电极材料上的微孔，使锂的嵌入和脱出困难并且使内阻增大和放电效率降低，从而导致不可逆容量损失。【电源网】【黄可龙】
四、电极不稳定性
正极活性物质在充电状态下会氧化电解质分解而造成容量损失。影响正极材料溶解的因素有：
正极活性物质的结构缺陷；【电源网】
充电电势过高；【电源网】
正极材料中炭黑的含量。【电源网】
1、结构变化（相变）
其中电极在充放电循环过程中结构的变化是最重要的因素。【电源网】【李伟善】
（1）锂锰氧化物在充放电过程中存在2种不同的结构变化：一是化学计量不变的情况下发生的相变化；二是充放电过程中锂嵌入和脱嵌量改变时发生的相变。例如锂锰氧化物完全充电脱锂形成λ-MnO2，可能在化学计量不变的情况下发生相变化，经ε-MnO2转变成没有活性的β-MnO2；当锂锰氧化物深度放电嵌入过分的锂时，原来的立方晶系尖晶石发生晶格扭曲，转变成四方晶系的尖晶石，即发生Jahn-Teller扭曲，晶胞中z轴伸长15%，x和Y轴收缩6%，这样多次循环后，正极材料便会粉化。LiMn2O4在深循环下容易出现容量衰减。【李伟善】【黄可龙】【阮艳莉】【刘庆国】
Xia等认为在低电压区，电压曲线呈“S”形，此时对应着单一的立方晶体结构，而高电压区“L”形则说明存在两相，正是由于两相结构共存的不稳定性导致了容量的衰减。作者还发现存在氧缺陷的正极材料在循环过程中容易发生相变，在4.0及4.2V处均发生容量衰减；而无氧缺陷的样品在循环过程中不易出现相变，仅在过放电时发生容量衰减。
【阮艳莉】
制备富锂型LiMn2O4，使锂占住部分锰的位置使锰的平均化合价升高，可以大大减小Jahn-Telle形变。合成富锂或富氧化合物还能改善LiMn2O4高温电化学性能。掺杂尖晶石LiMn2-xMxO4 (M=Ni，Co，Fe等)的充放电性能有明显的改善。原因在于:①由于Ni，Co，Fe等原子半径小，由他们所制备的LiMn2-xMxO4的晶胞相对较小，在锂脱嵌时，所承受的结构变形扭曲小，因而在充放电过程中其结构更容易保持，其循环性能也就更好。②由于Co，Ni价态均小于3，以Co，Ni等代替Mn，将提高锰的平均价态，减少Mn3+的含量，从而避免在深度放电时由于较多的(50%)Mn3+存在.而引起结构向四面体的形变。Mn3+是造成Jahn-Teller效应的内部原因。【黄可龙】（2）锂钴氧化物在完全充电状态下为六方晶体，理论容量的50％放电后生成新相单斜晶体，所以LiyCoO2通常在0.5 【电源网】【李伟善】 （3）锂镍氧化物在充放电循环过程中涉及斜方六面体及单斜晶体的变LiyNiO2 通常在0.3 负极碳在嵌锂和脱锂过程中也涉及晶相的变化，但普遍认为负极活性物质的相转变不会造成电池的容量衰减。【李伟善】【黄可龙】 注：LiCoO2和锂镍氧化物电极也可观察到相变，但与容量损失关系不大[38]。LiyNiO2电极通常在y=0.3和0.9之间循环，而LiyCoO2在y=0.5和1.0之间循环，可避免循环过程中明显相变。【黄可龙】 2、正极溶解 影响正极材料溶解的因素有：【黄可龙】 ①正极活性物质的结构缺陷 LiMn2O4和LiNi2O4结构中氧原子缺陷能削弱金属原子与氧原子之间的键能，从而导致锰和镍的溶解。溶解在电解液中的Mn2+和Ni2+，最终会以单质形式在负极上沉积，不仅使正极活性物质消耗，而且堵塞负极上的微孔，使锂在负极嵌入和脱出困难，造成容量损失。据文献报道，正极LiMn2O4中的锰溶解进入电解液后，有25%的Mn2+沉积在负极表面，使用高纯度的LiFP6和低比表面的LiMn2O4可以减少Mn2+的溶解。 ②充电电势过高； ③正极材料中炭黑的含量 电解液在炭黑表面氧化产生的具有催化性能的物质使金属离子溶解速率增加，因此对正极材料溶解产生不良的影响。【黄可龙】 ④催化氧化还原 Robertson等认为，催化氧化还原导致锰从LiMn2O4正极材料中脱出，生成Li2MnO3和Li2Mn4O9。其中Li2MnO3呈电化学惰性，Li2Mn4O9在4v附近无充放电容量，会导致不可逆容量损失。此外，Mn3+的歧化溶解形成了缺阳离子型的尖晶石相，使晶格受到破坏并堵塞Li+ 扩散通道。 锂离子电池常用的粘结剂的种类、作用及性能锂离子电池粘结剂一般都是高分子化合物，电池中常用的粘结剂有； (1)PVA(聚乙烯醇)PVA的分子式为卡CH2CHOH手JJ，聚合度”一般为700—2000，PVA是一种亲水性高聚物白色粉末，密度为1，24—1．34g?cm-3。PVA 可与其他水溶性高聚物混溶，如与淀粉、CMC、海藻钠等都有较好的混溶性。 (2)聚四氟乙烯(PTFE)PTFE俗称“塑料王”，是一种白色粉末，密度为2．1—2．3g?CITI+，热分解温度为415℃。PTFE电绝缘性能好，耐酸，耐碱，耐氧化。PTFE的分子式为卡CF2一CF2头。，是由四氟乙烯聚合而成的。nCF2＝CF、2一卡CF2＝CF2于。常用60％的PTFE乳液作电极粘结剂。 (3)羧甲基纤维素钠(CMC)CMC为白色粉末，易溶于水，并形成透明的溶液，具有良好的分散能力和结合力，并有吸水和保持水分的能力。 (4)聚烯烃类(PP，PE以及其他的共聚物)； (5)(PVDF／NMP)或其他的溶剂体系； (6)粘接性能良好的改性SBR橡胶； (7)氟化橡胶； (8)聚胺酯。 锂电池用粘接剂；锂离子电池中，由于使用电导率低的有机电解液，因而要求电极的面积大，而且电池装配采用卷式结构，电池的性能的提高不仅对电极材料提出了新的要求，而且对电极制造过程中使用的粘接剂也提出了新的要求。 1、粘接剂的作用及性能； (1)保证活性物质制浆时的均匀性和安全性； (2)对活性物质颗粒间起到粘接作用； (3)将活性物质粘接在集流体上； (4)保持活性物质间以及和集流体间的粘接作用； (5)有利于在碳材料(石墨)表面上形成SEI膜。 2、对粘接剂的性能要求； (1)在干燥和除水过程中加热到130—180~C情况下能保持热稳定性； (2)能被有机电解液所润湿； (3)具有良好的加工性能； (4)不易燃烧； (5)对电解液中的I．iClQ，I．iPP、6等以及副产物I．iOH，㈠2C03等稳定； (6)具有比较高的电子离子导电性； (7)用量少，价格低廉； 以往的镍镉、镍氢电池，使用的电解液是水溶液体系，粘接剂可以使用PVA，CMC等水溶性高分子材料，或PTFE的水分散乳液。锂离子蓄电池电解液是极性大(因此溶解能力和溶胀能力高)的碳酸酯类有机溶剂体系，粘接剂必须能耐碳酸酯(至少是不溶解)，而且必须满足上述的几点要求，特别是必须满足在电化学环境中的稳定性，在负极中处于锂的负电位下不被还原，在正极中发生过充电等有氧产生的情况下不发生氧化。 锂离子电池中的特点是伴随充放电过程，锂在活性物质中的嵌入—脱出引起活性物质的膨胀—收缩(如石墨的层间距变化达到10％一11％)，要求粘接剂对此能够起到缓冲作用。锂离子电池的电极在干燥过程中加热温度最高可以达到200℃，粘接剂必须能够耐受这样高的温度。 由此可见，粘接剂性能好坏对电池性能的影响很大，锂离子电池电极制备是采用涂布工艺，一般采用刮刀或辊涂布的方式，通过刀口间隙调节活性物质层的厚度。锂离子电池活性物质层的厚度很小，因此涂布刀口的间隙也很小，这样就要求在浆料中不能有大的团聚颗粒存在。制作电极需要经过辊压、分 锂离子电池容量损失分析 锂离子电池是继镍镉、镍氢电池之后发展最快的二次电池。由于其具有比能量高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长、环境污染小等独特优势，现已用作高速发展的小型电子产品的电源，也很有希望用作大型动力电池的电源。锂离子电池的应用很大程度上取决于其充放电循环的稳定性，与其他二次电池一样，锂离子电池在循环过程中容量衰减是难以避免的。由于锂离子电池在充放电过程中过充电或过放电、电解液分解、SEI 膜的形成、活性物质的溶解及其他因素会导致电池容量损失，因此分析锂离子电池容量衰减的原因，对我们进行研究开发及生产应用有着重要的作用，也有利于提高我们产品的品质。 一、锂离子电池工作原理 锂离子电池是指分别用两种能可逆嵌入与脱嵌锂离子的层间化合物作正负极活性物质而构成的二次电池，目前生产中普遍采用高嵌脱锂电位的LiCoO2 类材料为正极，低嵌脱锂电位的碳类材料为负极。锂离子电池在最初的充电循环中，在碳负极材料会出现化学/电化学反映过程，分别对应有机电解液的分解和锂离子的嵌入，伴随形成SEI 膜。目前常用的有机溶剂有碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲基乙基酯（EMC）等，电解质一般用锂盐有LiBF6、LiPF4、LiAsF6 和LiCIO4 等。隔膜用PP 微孔薄膜或PE 微孔薄膜。电极反应如下： 正极：LiCoO2充电→← 放电Li1 － xCoO2＋xLi＋＋xe－20 负极： 6C ＋ xLi ＋ ＋ xe －充电→← 放电 LixC6 总的反应为： 6C ＋ LiCoO2充电→← 放电 Li1－xCoO2＋LixC6 充电时，锂离子从LiCoO2 中立方紧密堆积氧层中八面体位置发生脱嵌，释放一个电子给Co3＋，其氧化为Co4＋；放电时，锂离子嵌入到八面体位置得到一个电子，Co4＋还原为Co3＋。负极中当锂离子插入到石墨层中后石墨结构与此同时从外电路得到一个电子使得负极电荷平衡。与其它二次电池一样，锂离子经充放电循环后存在容量损失问题，导致这些问题的原因有很多，有材料方面也有制造工艺方面的因素。 二、容量损失原因分析 1.过充电 所谓过充电就是超过规定的充电终止电压（一般为4.2V）而继续充电 华南师范大学实验报告 学生姓名:蓝中舜学号：20120010027 专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源 课程名称：化学电源实验 实验项目：锂离子电池性能测试 实验类型：验证设计综合实验时间：2014年5月5日-17日 实验指导老师：马国正组员：黄日权郭金海 一、实验目的 1.熟悉、掌握锂离子电池的结构及充放电原理。 2.熟悉、掌握锂离子正极材料的制备过程及工艺。 3.熟悉、掌握锂离子电池的封装工艺及模拟电池测试方法。 二、实验原理 锂离子电池是指正负极为Li+嵌入化合物的二次电池。正极通常采用锂过渡金属氧化物 Li x CoO2，Li x NiO2或Li x Mn2O4，负极采用锂-碳层间化合物Li x C6。电解质为溶有锂盐LiPF6，LiAsF6，LiClO4等的有机溶液。溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（CIMC）等。在充放电过程中，Li+在两极间往返嵌入和脱出，被形象的称之为“摇椅电池”。 锂离子电池充放电原理和结构示意图如下。 锂离子电池的化学表达式为： -）Cn|LiPF6-EC+DMC|LiM x O y（+ 其电池反应为： LiM x O y+nC Li1-x M x O y+Li x C n 本实验以高温固相法制备的尖晶石型LiMn2O4为正极材料，纯锂片为负极，制备扣式锂离子模拟电池，并对制备的扣式半电池进行充放电测试。 三、仪器与试剂 电化学工作站，蓝点测试系统、手套箱、电子天平、真空干燥箱、切片机、对辊机、鼓风干燥机 LiMn2O4、乙炔黑、PVDF、无水乙醇、电解液（1M LiPF6溶与体积比EC:DEC:EMC=1:1:1 本质原因 锂离子电池在两个电极间发生嵌入反应时具有不同的嵌入能量,而为了得到电池的最佳性能,两个宿主电极的容量比应该保持一个平衡值。在锂离子电池中,容量平衡表示成为正极对负极的质量比,即: γ＝m＋/m-=ΔxＣ－/ΔyC+ 式中C指电极的理论库仑容量,Δx、Δｙ分别指嵌入负极及正极的锂离子的化学计量数。 从上式可以瞧出,两极所需要的质量比依赖于两极相应的库仑容量及其各自可逆锂离子的数目。一般说来,较小的质量比导致负极材料的不完全利用;较大的质量比则可能由于负极被过充电而存在安全隐患。总之在最优化的质量比处,电池性能最佳。 对于理想的Li-ion电池系统,在其循环周期内容量平衡不发生改变,每次循环中的初始容量为一定值,然而实际上情况却复杂得多。任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应都可能导致电池容量平衡的改变,一旦电池的容量平衡状态发生改变,这种改变就就是不可逆的,并且可以通过多次循环进行累积,对电池性能产生严重影响。 在锂离子电池中,除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外,还存在着大量的副反应,如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等,如图1所示。Aroｒa等[３］将这些容量衰减的过程与半电池的放电曲线对照起来,使得我们可以清楚地瞧出电池工作时发生容量衰减的可能性及其原因,如图2所示。 一、过充电1?、石墨负极的过充反应: 电池在过充时,锂离子容易还原沉积在负极表面:Lｉ＋＋e→Li(s),沉积的锂包覆在负极表面,阻塞了锂的嵌入。导致放电效率降低与容量损失,原因有:①可循环锂量减少; ②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CＯ３,ＬiF 或其她产物; ③金属锂通常形成于负极与隔膜之间,可能阻塞隔膜的孔隙增大电池内阻。④由于锂的性质很活泼,易与电解液反应而消耗电解液.从而导致放电效率降低与容量的损失。?快速充电,电流密度过大,负极严重极化,锂的沉积会更加明显。这种情况容易发生在正极活性物相对于负极活性物过量的场合,但就是,在高充电率的情况下,即使正负极活性物的比例正常,也可能发生金属锂的沉积。?２、正极过充反应 当正极活性物相对于负极活性物比例过低时,容易发生正极过充电。?正极过充导致容量损失主要就是由于电化学惰性物质(如Co3Ｏ４,Mn２O3 等)的产生,破坏了电极间的容量平衡,其容量损失就是不可逆的。 (1)LiyＣoO2 LiyCｏO2→(1-ｙ)/３[Cｏ3O4＋O2(g)]＋yLiＣｏO2 y<0、4 同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应(如生成H2O)与电解液分解产生的可燃性气体同时积累,后果将不堪设想。 (２)λ-ＭnO２?锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂的状态下: λ-ＭnO2→Mn2O3＋Ｏ2(g) 3?、电解液在过充时氧化反应 当压高于4、５V 时电解液就会氧化生成不溶物(如Li２Co３)与气体,这些不溶物会堵塞在电极的微孔里面阻碍锂离子的迁移而造成循环过程中容量损失。 影响氧化速率因素: 正极材料表面积大小 集电体材料 所添加的导电剂(炭黑等)?炭黑的种类及表面积大小 在目前较常用电解液中,EC／DMC被认为就是具有最高的耐氧化能力。?溶液的电化学氧化过程一般表示为:溶液→氧化产物(气体、溶液及固体物质)+ne- 任何溶剂的氧化都会使电解质浓度升高,电解液稳定性下降,最终影响电池的容量。假设每次充电时都消耗一小部分电解液,那么在电池装配时就需要更多的电解液。对于恒定的容器来说,这就意味着装入更少量的活性物质,这样会造成初始容量的下降。此外,若产生固体产物,则会在电极表面形成钝化膜,这将引起电池极化增大而降低电池的输出电压。?二、电解液分解(还原)?I 在电极上分解 1、电解质在正极上分解:?电解液由溶剂与支持电解质组成,在正极分解后通常形成不溶性产物Li2Co3 与LiＦ等,通过阻塞电极的孔隙而降低电池容量,电解液还原反应对电池的容量与循环寿命会产生不良影响,并且由于还原产生了气体会使电池内压升高,从而导致安全问题。?正极分解电压通常大于4、５Ｖ(相对于Ｌi/Ｌi＋),所以,它们在正极上不易分解。相反,电解质在负极较易分解。2?、电解质在负极上分解:?电解液在石墨与其它嵌锂碳负极上稳定性不高,容易反应产生不可逆容量。初次充放电时电解液 锂电池性能测试简介 充电及低公害。 各种先进电池中最被重视的商品化电池。所以在此以介绍锂离子电池为主。 可从 压 例。 止电压)又有[CV]的精准。 2.C-V曲线 C-V曲线是描充电池在充电、放电过程中电压及电容量间的关系。充电曲线能让工程师了解如何设计电池充电器，而放电曲线能使工程师在设计电路时正确的掌握电池的特性。例如最佳的工作电压、不同温度C-rate下的电池电容量。 我们也可从电池目前的电压对照C-V曲线：以斜率大小负值概略估算电池的残存容量(Residual Capacity)。因此C-V曲线是了解电池的重要工具。 2、分电池(Cell)性能测试 已组装之分电池，俗称单位电池（以下简称电池）。 在组装后静置8-12小时后为让电解液充份浸润极板，即依下列程序进行测试作 2.） 锂离子电池的化成：除了是使电池作用物质藉第一次充电转成正常电化学作用 钝化膜在锂离子电池的电化 商除将材 料及制程列为机密外化成条件也被列为该公司电池制造的重要机密。 相同于极板测试：将电池实际活化物总量换算理论电容量，以低C-rate C N。因此充、放电电流可以C-rate即C N的系数来表示其大小，关系如下式： I=M* C N I：充、放电电流大小(mA) M：倍率C-rate(hr-1) C N：N小时内完全放电的额定电容量(mAhr) 例如：电池之5小时率容量C5=300mAhr，则C-rate为0.5之充、放电电流大小 将是： I=M* C5=(0.5 hr-1)*(300mAhr)=150mA 电池化成过程中会有大量的能量耗损，最可能是用于钝化膜的形成。 3.电池电容量测试 再依下列步骤 容量在初期会有减少的情形。电池的放电电容量自0.753mA向下减少。待电池电化 有些化成程序亦包含了数十次的充放电 4. 3到520 5.自放电率测试 选取化2到37日放电一 采取积分记录。 于第28 Capacity Fade Mechanisms and Side Reactions in Lithium-Ion Batteries Pankaj Arorat and Ralph E. White Center For Electrochemical Engineering, Department of Chemical Engineering, University of South Carolina,Columbia, South Carolina 29208, USA ABSTRACT The capacity of a lithium-ion battery decreases during cycling. This capacity loss or fade occurs due to several different mechanisms which are due to or are associated with unwanted side reactions that occur in these batteries. These reactions occur during overcharge or overdischarge and cause electrolyte decomposition, passive film formation, active material dissolution, and other phenomena. These capacity loss mechanisms are not included in the present lithium-ion battery mathematical models available in the open literature. Consequently, these models cannot be used to predict cell performance during cycling and under abuse conditions. This article presents a review of the current literature on capacity fade mechanisms and attempts to describe the information needed and the directions that may be taken to include these mechanisms in advanced lithium-ion battery models。锂离子电池容量衰减机 理和界面反应研究 作者：Pankaj Arorat and Ralph E. White 美国，南卡罗来纳29208，哥伦比亚，南卡罗来纳州大学，化工学院化工系 摘要 锂电池在循环过程中，其容量会逐渐衰减。而出现容量衰减主要归因于几个不同的机理，这些机理大多与电池内部的界面反应相关，这些反应持续性的发生在电池的充放电环节，并且引起电解液的分解、钝化膜的形成、活性材料的溶解等其它现象。关于容量衰减的机理在目前公开的锂离子电池数学模型的文献中并未加以阐述，因此在锂电池循环过程中和处于苛刻的条件下，我们无法通过模型来对锂电池的性能作出有效的预测。本篇文章将陈述容量衰减的机理，并且试着去解释其本质，为构建先进的锂电池模型指明方向。 lntroduction The typical lithium-ion cell(Fig. 1) is made up of a coke or graphite negative electrode, an electrolyte which serves as an ionic path between electrodes and separates the two materials, and a metal oxide (such as LiCoO2, LiMn2O4, or LiNiO2) positive electrode. This secondary (rechargeable) lithium-ion cell has been commercialized only 概论 传统的锂电池由碳或石墨负极材料、作为电极间的离子传输通道的电解液、金属氧化物（例如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2）正极材料三部分组成，这种二次（可充电）电池已经商业化。依照这种原理制作的锂电池已 锂离子电池的优点 1）能量密度高。能量密度可达460-600Wh/kg，其能量密度是铅酸电池的6-7倍； 2）相对较高的平均输出电压值。常用的锂离子电池单体平均工作电压约为3.7V，约为镍-隔电池或者镍-氢电池的3倍 3）可以高功率输出，在电动汽车的磷酸铁锂离子电池可以达到15-30C充放电能量，有利于启动加速； 4）相对较小的自放电率，无记忆效应，锂电池的自放电率为镍-隔电池或者镍-氢电池的一半甚至更小。记忆效应指的是电池在充放电循环过程中容量减小的现象，而锂离子电池在循环过程中不出现明显地容量衰减现象； 5）使用寿命长，在正常条件下，锂离子电池使用寿命可达6年，循环次数超过1000次。（6）可快速充电，使用额定电压为4.2 V的充电器只需1~2小时即可充满 （7）使用温度范围宽，通常可在-30～+45℃温度范围内使用，通过调整电解液甚至可以在更宽温度范围内使用； （8）绿色电池，对环境友好，无论生产、使用和报废，都不存在镉、铅、汞等对环境有污染的元素； Figure 4b shows the typical charge?discharge voltage profiles of the S@CNTs/Co3S4?NBs, S@Co3S4?NBs and S@CNTs electrodes at 0.2 C (1.0 C = 1,675 mAh g?1). The S@CNTs/ Co3S4?NBs electrode exhibits two typical discharge plateaus at 2.35 and 2.08 V (vs Li+/Li), originated from the reduction of S8 to soluble long-chain polysulfides (Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8) and the formation of insoluble short-chain polysulfides (Li2S/Li2S2), respectively. The single charge plateau of S@CNTs/Co3S4?NBs between 2.25?2.36 V is ascribed to the oxidation of Li2S/ Li2S2 to Li2Sx and eventually S8. These charge and discharge plateaus are consistent with corresponding CV curves (Figure S5). Notably, the S@CNTs/Co3S4?NBs electrode exhibits lower potential hysteresis and higher sulfur utilization ratio than those of the S@Co3S4?NBs and S@CNTs, mainly attributed to the strong chemical affinity of polar Co3S4?NBs with polysulfides and the interconnected CNT network. 图4b 显示了S@CNTs/Co3S4?NBs、S@Co3S4?NBs 和S@CNTs 电极在0.2 c (1.0 c = 1675 麻将g?1)上的典型charge?discharge 电压剖面。S@CNTs/Co3S4?NBs电极展示两个典型的放电高原在 2.35 和 2.08 V (vs li +/李), 起源于 S8 的减少到可溶性长链多硫化物 (Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8) 和形成不溶性短链多硫化物 (Li2S/Li2S2),分别.2.25?2.36 V 之间 锂离子电池由正、负极材料、电解液、隔膜以及电池外壳组成。隔膜作为电池的“第三极”，是锂离子电池中的关键内层组件之一。隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，同时允许锂离子的传导。在过度充电或者温度升高时，隔膜通过闭孔来阻隔电流传导，防止爆炸。隔膜性能的优势决定电池的界面结构和内阻，进而影响电池的容量、循环性能，充放电电流密度等关键特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能起着有重要的作用。 锂离子电池隔膜生产材料目前还是以聚烯烃为首选，聚烯烃材料具有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性好、生物相容性好、无毒等优点，在众多领域得到了广泛的应用。聚烯烃化合物可以提供良好的机械性能和化学稳定性，具有高温自闭性能，确保锂离子二次电池在日常使用上的安全性。 1 、厚度均匀性 隔膜的厚度均匀性与所有薄膜生产企业要求是一样的，是一个永远追求的重要的质量指标，它直接影响隔膜卷的外观质量以致内在性能，是生产过程严加控制的质量指标之一。锂电池用户对隔膜的分切有其特殊的要求，除了有特殊的隔膜分切机、专业培训的专业分切人员外，与隔膜自身的厚度均匀性关系最为密切。 在自动化程度很高的隔膜生产线上，隔膜厚度都是采用精度很高的在线非接触式测厚仪及快速反馈控制系统进行自动检测和控制的。隔膜的厚度均匀性包括纵向厚度均匀性和横向厚度均匀性。其中横向厚度均匀性尤为重要。一般均要求控制在+1微米以内。“南通天丰”公司厚度现已控制在+0.5微米以内。 2、力学性能 隔膜的力学性能是影响其应用的一个重要因素，如果隔膜破裂，就会发生短路，降低成品率，因此要求隔膜在电池组装和充放电结构使用过程中，需要自身具有一定的机械强度。隔膜的机械强度可用抗穿刺强度和拉伸强度来衡量。 拉伸强度，隔膜的拉伸强度与制膜的工艺相关联。采用单轴拉伸，膜在拉伸方向上与垂直方向强度不同；而采用双轴拉伸时，隔膜在两个方向上一致性会相近。一般拉伸强度主要是指纵向强度要达到100MP以上，横向强度不能太大，过大会导致横向收缩率增大，这种收缩会加大锂电池厂家正、负极接触的几率。 抗穿刺强度，抗穿刺强度是指施加在给定针形物上用来戳穿隔膜样本的质量，用它来表示隔膜在装配过程中发生短路的趋势。因隔膜是被夹在凹凸不平的正、负极片间，需要承受很大的压力。为了防止短路，所以隔膜必须具备一定的抗穿刺强度。抗穿刺强度值一般在300-500g。 3、透过性能 透过性能可用在一定时间和压力下，通过隔膜气体的量的多少来表征，主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。 作为锂电池隔膜材料，本身具有微孔结构，微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。孔径一般在0.03-0.12um。孔径太小增加电阻，孔径太大易使正负极接触或被枝晶刺穿短路。 隔膜厂家现在基本以透气度、孔隙度指标来衡量透气性。透气率是指特定的空气在特定的压力下通过特定面积隔膜所需要的时间，用Gurley值来表示。根据隔膜厚度，一般在300-700s/100ml。孔隙率是单体膜的体积中孔的体积百分率，它与原料树脂及膜的密度有关。现有锂离子电池隔膜的孔隙率在40%-50%之间。 4、理化性能 润湿性和润湿速度：较好的润湿性有利于提高隔膜与电解液的亲和性，扩大隔膜与电解液的接触面，从而增加离子导电性，提高电池的充放电性能和容量。隔膜对电解液的润湿 锂电池随着使用次数增加而最大容量下降 将分为内因和外因来说： 1.内因 （1）在电极方面，反复充放电使电极活性表面积减少，电流密度提高，极化增大；活性材料的结构发 生变化；活性颗粒的电接触变差，甚至脱落；电极材料(包括集流体)腐蚀； 现阶段常用电池负极为石墨，正极是LiCoO2，LiFePO4以及LiMn2O4等，电池放点初期电解液会在电 极表面形成一层SEI（固态电解质）膜，其成分主要是ROCO2Li（EC和PC环状碳酸酯还原产物）、ROCO2Li和ROLi（DEC和DMC等链状碳酸酯的还原产物）、Li2CO3（残余水和ROCO2Li反应产物），若用LiPF6时，残余的HF会与SEI中ROCO2Li，使SEI中主要是LiF和ROLi。 SEI是Li+导体，脱嵌锂时碳电极体积变化很小，但即使很小，其产生的内应力也会使负极破裂，暴露 出来新的碳表面再与溶剂反应形成新的SEI膜，这样就造成了锂离子和电解液的损耗，同时，正极材料 活性物质膨胀超过一定程度也会形成无法修复的永久性结构触损耗，这样正极和负极的不断损耗造成了 容量的不断衰减；再者，增加的SEI膜会造成界面的电阻层架，使电化学反应极化电位升高，造成电池 性能衰减 在电极中，随着充放电反应的进行，黏结剂的性能也会逐步下降，，黏结强度降低，使电极材料脱落； 铜箔和铝箔是常用的负极和正极集流体，两者都容易发生腐蚀，腐蚀产物聚集在集流体表面成膜，增加 内阻，铜离子还能形成枝晶，穿透隔膜，使电池失效。 （2）在电解质溶液方面，电解液或导电盐分解导致其电导率下降，分解物造成界面钝化； 锂离子电池液体电解质一般由溶质（如LiPF6、LiBF4、LiClO4等锂盐）、溶剂和特种添加剂构成。电 解质具有良好的离子导电性和电子绝缘性，在正负极之间起着输送离子传导电流的作用。锂离子电池在 第一次充放电、过充和过放时以及长期循环之后，电解质会发生降解作用，并伴有气体产生，气体的组 成较为复杂，还无法通过某种反应在电池内加以消除。随着电池充放电次数的增加。由于电极材料氧化 腐蚀会消耗掉一部分电解液，导致电解液缺乏，极片不能完全清润到电解液，从而电化学反应的不完全，使得电池容量达不到设计要求。 （3）隔膜阻塞或损坏，电池内部短路等 隔膜的作用是将电池正负极分开防止两极直接短路。在锂离子电池循环过程中，隔膜逐渐干涸失效是电 池早期性能衰退的一个重要原因。这主要是由于隔膜中电解液变干使溶液电阻增大，隔膜电化学稳定 性和机械性能，以及对电解质浸润性在反复充电过程中变差造成的。由于隔膜的干涸，电池的欧姆内阻 增大，导致放电不完全，电池反复受到大容量过充，电池容量无法回复到初始状态，大大降低了电池的 放电容量和使用寿命。 2.外因 （1）快速充放电 快速充电时，电流密度过大，负极严重极化,，锂的沉积会更明显，使在铜箔与碳类活性物质边界处的铜 箔脆化，极易产生裂缝。电芯自发卷绕受到固定空间的限制，铜箔无法自由伸展产生压力，在压力的作 用下，原有的裂缝扩散生长，因扩展空间不够，铜箔发生断裂。 （2）温度 在明显高于室温的情况下，有机电解质的热稳定性成为首先要考虑的问题，这全要包括有机电解质自身 热稳定性以及电极隋机电解质相互作用的热稳定性两个方面。一般认为，正极/有机电解质的反应对铿 离子电池安全性的影响是主要因素。因为正极、电解质的反应动力学非常快，故控制着整个电池耐热 锂离子电池工作原理 正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。 电池总反应 以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。 一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。 正极 正极材料：可选正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。 正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO?→ Li1-xFePO? + xLi + xe 放电时：Li1-xFePO?+ xLi + xe →LiFePO? 负极 负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。 充电时：xLi + xe + 6C →LixC6 放电时：LixC6 → xLi + xe + 6C 锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。 组成部分 钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列： （1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。 （2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。 （3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。 最全最经典的锂离子电池容量衰减原因分析（附各原因专家分析） 0本质原因 锂离子电池在两个电极间发生嵌入反应时具有不同的嵌入能量，而为了得到电池的最佳性能，两个宿主电极的容量比应该保持一个平衡值。在锂离子电池中，容量平衡表示成为正极对负极的质量比，即： γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+ 式中C指电极的理论库仑容量，Δx、Δy分别指嵌入负极及正极的锂离子的化学计量数。从上式可以看出，两极所需要的质量比依赖于两极相应的库仑容量及其各自可逆锂离子的数目。一般说来，较小的质量比导致负极材料的不完全利用；较大的质量比则可能由于负极被过充电而存在安全隐患。总之在最优化的质量比处，电池性能最佳。 对于理想的Li-ion电池系统，在其循环周期内容量平衡不发生改变，每次循环中的初始容量为一定值，然而实际上情况却复杂得多。任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应都可能导致电池容量平衡的改变，一旦电池的容量平衡状态发生改变，这种改变就是不可逆的，并且可以通过多次循环进行累积，对电池性能产生严重影响。 在锂离子电池中，除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外，还存在着大量的副反应，如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等，如图1所示。Arora等[3]将这些容量衰减的过程与半电池的放电曲线对照起来，使得我们可以清楚地看出电池工作时发生容量衰减的可能性及其原因，如图2所示。 一、过充电 1、石墨负极的过充反应： 电池在过充时，锂离子容易还原沉积在负极表面：Li＋＋e→Li（s），沉积的锂包覆在负极表面，阻塞了锂的嵌入。【电源网】【李伟善】【黄可龙】【阮艳莉】导致放电效率降低和容量损失，原因有： ①可循环锂量减少；【电源网】【李伟善】【阮艳莉】 ②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3，LiF 或其他产物；【电源网】【李伟善】【阮艳莉】 ③金属锂通常形成于负极与隔膜之间，可能阻塞隔膜的孔隙增大电池内阻。 【电源网】【李伟善】【阮艳莉】 ④由于锂的性质很活泼，易与电解液反应而消耗电解液.从而导致放电效率降低和容量的损失。【黄可龙】 快速充电，电流密度过大，负极严重极化，锂的沉积会更加明显。这种情况容易发生在正极活性物相对于负极活性物过量的场合，【电源网】但是，在高充电率的情况下，即使正负极活性物的比例正常，也可能发生金属锂的沉积。【李伟善】 2、正极过充反应 当正极活性物相对于负极活性物比例过低时，容易发生正极过充电。【李伟善】 正极过充导致容量损失主要是由于电化学惰性物质（如Co3O4，Mn2O3 等）的产生，破坏了电极间的容量平衡，其容量损失是不可逆的。 （1）LiyCoO2： LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4【电源网】【李伟善】【黄可龙】 同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应（如生成H2O）与电解液分解产生的可燃性气体同时积累，后果将不堪设想。【电源网】【黄可龙】 （2）λ-MnO2锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂的状态下： λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)【李伟善】【黄可龙】 3、电解液在过充时氧化反应 当压高于4.5V 时电解液就会氧化生成不溶物（如Li2Co3）和气体，这些不溶物会堵塞在电极的微孔里面阻碍锂离子的迁移而造成循环过程中容量损失。【电源网】【黄可龙】【阮艳莉】 影响氧化速率因素： 正极材料表面积大小【电源网】【黄可龙】 集电体材料【电源网】【黄可龙】 所添加的导电剂（炭黑等）【电源网】【黄可龙】 锂离子电池简介 使用煤炭，石油和天然气的很长一段时间以来，都是以化石燃料为主要能源，这样的能源结构，使得环境污染严重，并且由此导致的全球变暖问题和生态环境恶化问题受到越来越多的关注。所以，可再生能源和新能源的发展成为在未来技术领域和未来经济世界的一个最具有决定性的影响。锂离子电池作为一种新的二次清洁，且可再生能源，其具有工作电压高，质量轻，能量密度大等优点，在电动工具，数码相机，手机，笔记本电脑等领域得到了广泛的应用，并且显示出强大的发展趋势。 锂离子电池的发展历史 第二十世纪六十、七十年代，几乎在锂电池是发明的同时，研究发现许多插层化合物可以与金属锂的可逆反应，构成锂电池[1]。早在第二十世纪七十年代提出了分层组织作为阴极的斯梯尔最有代表性的一种，金属锂作为阳极的Li-TiS2系统。 1976年Whittingham证实了系统的可靠性。随后，埃克森公司的Li-TiS2系统进行深入研究，并希望其商业化。但是，系统很快就暴露出许多致命的缺陷。首先，活性金属锂容易导致有机电解液的分解，导致电池内部压力。由于锂电极表面的表面电位分布不均匀，在锂金属的电荷将在锂沉积的阴极，产生锂“枝晶”。一方面会造成可逆嵌锂容量损失，另一方面，枝晶可以穿透隔膜和负极连接，造成电池内部短路，瞬间吸收大量的热，发生爆炸，导致严重的安全隐患。这一系列因素导致金属锂电池的循环性能和安全两差异，所以Li-TiS2系统未能实现商业化。 1980，阿尔芒首次提出摇椅电池的想法。使用低锂嵌入化合物锂化合物代替金属锂作为阳极，采用高嵌锂电位嵌锂化合物作正极。同年，在美国德州大学Goodenough教授的国家提出了一系列的锂过渡金属氧化物LixMO2（M=Co 、Ni 或Mn)为两电池正极材料锂。1987，奥邦成功组装了浓差电池MO2 (WO2)/LiPF6-PC/LiCoO2和证明“摇椅电池”的想法的可行性，但由于负电极材料形成LiMoO2 CLiWO2嵌入电位高(0.7-2.0 V vs.Li/Li+)嵌锂容量较低，并没有显示高电压的锂离子二次电池的优点，比容量高。 锂离子电池充放电机理的探索 及“锂亚原子”模型的建立 贵州航天电源科技有限公司张忠林杨玉光 摘要：锂离子电池的研究和发展一直都是以“摇椅理论”为指导，由于受该理论的影响，很多现象很难用传统的电化学理论进行解释。作者在生产实践中通过对一些现象的观察，并做了大量的试验和研究，提出“锂亚原子”的模型，并在此模型的基础上，对锂离子电池的充放电反应机理和一些现象用电化学理论进行了解释。 主题词：锂离子电池、反应机理、锂亚原子 一、前言 锂离子电池是在锂金属电池基础上发展起来的。由于锂金属电池在充放电时出现锂枝晶，刺破隔膜造成短路，出现爆炸等现象，这一问题长期困扰锂金属电池的发展，目前仍很难投入到民用市场。锂离子电池研究始于20世纪80年代，1991年首先由日本索尼公司推出了批量民用产品，由于其具有比能量高、体积小、重量轻、工作电压高、无记忆效应、无污染、自放电小等优点，受到市场欢迎，并迅速占领市场，广泛用于移动通讯、笔记本电脑、移动DVD、摄像机、数码相机、蓝牙耳机等便携式电子产品。目前主要产地集中在日本、中国和韩国，预计2004年全球需求量将达到10亿只。 由于锂离子电池从开始研究到现在才20多年时间，真正投入应用也只有十多年的时间，基础理论的研究还不是十分成熟，对锂离子电池的生产和发展很难起到全面指导作用，特别是对电池充放电反应机理的认识还存在很大分歧，有些现象用目前的理论和机理还很难解释。本文对锂离子电池充放电反应机理提出了一些看法，并对生产中存在的现象进行了解释，希望与锂电池同行共同探讨。二、基本原理 目前锂离子电池公认的基本原理为“摇椅理论”，该理论认为锂离子电池充放电反应机理不是通过传统氧化还原反应来实现电子转移，而是通过锂离子在层状物质的晶格中嵌入和脱出，发生能量变化。 造成锂离子电池容量不同的原因 锂离子电池是继镍镉、镍氢电池之后发展最快的二次电池。由于其具有比能量高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长、环境污染小等独特优势，现已用作高速发展的小型电子产品的电源，也很有希望用作大型动力电池的电源。锂离子电池的应用很大程度上取决于其充放电循环的稳定性，与其他二次电池一样，锂离子电池在循环过程中容量衰减是难以避免的。由于锂离子电池在充放电过程中过充电或过放电、电解液分解、SEI 膜的形成、活性物质的溶解及其他因素会导致电池容量损失，因此分析锂离子电池容量衰减的原因，对我们进行研究开发及生产应用有着重要的作用，也有利于提高我们产品的品质。 一、锂离子电池工作原理 锂离子电池是指分别用两种能可逆嵌入与脱嵌锂离子的层间化合物作正负极活性物质而构成的二次电池，目前生产中普遍采用高嵌脱锂电位的LiCoO2 类材料为正极，低嵌脱锂电位的碳类材料为负极。锂离子电池在最初的充电循环中，在碳负极材料会出现化学/电化学反映过程，分别对应有机电解液的分解和锂离子的嵌入，伴随形成SEI 膜。目前常用的有机溶剂有碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（D MC）和碳酸甲基乙基酯（EMC）等，电解质一般用锂盐有LiBF6、LiPF4、LiAsF6 和Li CIO4 等。隔膜用PP 微孔薄膜或PE 微孔薄膜。电极反应如下： 正极：LiCoO2充电→← 放电Li1 －xCoO2＋xLi＋＋xe－20 负极：6C ＋xLi ＋＋xe －充电→← 放电LixC6 总的反应为：6C ＋LiCoO2充电→← 放电Li1－xCoO2＋LixC6 充电时，锂离子从LiCoO2 中立方紧密堆积氧层中八面体位置发生脱嵌，释放一个电子给Co3＋，其氧化为Co4＋；放电时，锂离子嵌入到八面体位置得到一个电子，Co4＋还原为Co3＋。负极中当锂离子插入到石墨层中后石墨结构与此同时从外电路得到一个电子使得负极电荷平衡。与其它二次电池一样，锂离子经充放电循环后存在容量损失问题，导致这些问题的原因有很多，有材料方面也有制造工艺方面的因素。 二、容量损失原因分析 1.过充电 所谓过充电就是超过规定的充电终止电压（一般为4.2V）而继续充电的过程。在过充的情况下会造成电池容量的衰减，主要有如下因素：①石墨负极的过充反应；②正极过充反应； ③电解液在过充时氧化反应。电池在过充时，锂离子容易还原沉积在负极表面：Li＋＋e→L i（s） 沉积的锂包覆在负极表面，阻塞了锂的嵌入。导致放电效率降低和容量损失，原因有：①可循环锂量减少；②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3，LiF 或其他产物； ③金属锂通常形成于负极与隔膜之间，可能阻塞隔膜的孔隙增大电池内阻。快速充电，电流密度过大，负极严重极化，锂的沉积会更加明显。正极过充导致容量损失主要是由于电化学惰性物质（如Co3O4，Mn2O3 等）的产生，破坏了电极间的容量平衡，其容量损失是不可逆的。 LiyCoO2→（1－y）/3[Co3O4＋O2（g）]＋yLiCoO2 y<0.4 同时正极材料在密封的锂离子电池中分解产生的氧气由于不存在再化合反应（如生成H2 O）与电解液分解产生的可燃性气体同时积累，后果将不堪设想。过充还会导致电解液的氧化反应，其氧化速率跟正极材料表面积大小、集电体材料以及所添加的导电剂（炭黑等）有很大关系，同时，炭黑的种类及表面积大小也是影响电解液氧化的一个重要因素，其表面积越大，溶剂更容易在表面氧化。当压高于4.5V 时电解液就会氧化生成不溶物（如Li2 锂离子电池材料的制备和电化学性能表征（24学时） 一、实验目的 1．了解尖晶石化合物的组成和结构特点。 2．了解无机材料制备方法－共沉淀制备前驱体、高温固相煅烧制备的反应原理和反应过程中影响产物性质的一般因素。 3．了解嵌入－脱嵌反应和锂离子电池的工作原理。 4．了解电池性能的主要参数和测试的主要方法。 二、实验原理 由于具有电压高、容量高、无污染、安全性好、无记忆效应等优异性能，锂离子电池自1991年实现商品化以来，其种类、性能和应用领域都得到了巨大的发展，已经成为最重要的二次电池之一，在手机、笔记本电脑、摄像机、便携式DVD、电动汽车甚至核潜艇上都得到了广泛应用。而锂离子电池的相关研究也成为当前化学电源研究的重要领域。 锂离子电池性能的优劣主要取决于电池的正极。锰酸锂LiMn2O4是重要的锂离子电池正极活性材料之一，其结构见图1。该结构为锂离子的迁移提供了三维通道。 图1 尖晶石晶体结构图 在充电过程中，锂离子从正极脱出，嵌入负极活性物质；而放电过程中，是锂离子的回嵌的过程，因此锂离子电池又称为“摇椅式”电池。电池充放电时，正极活性材料中Li+的迁移过程可用下式表示。 充电时：LiMn2O4→ xLi+ + Li1-x Mn2O4 + xe- 放电时：Li1-x Mn2O4 + yLi++ ye-→ Li1-x+y Mn2O4(0≤x≤1，0≤y≤x) LiMn2O4的制备方法很多，常用的有高温固相法、低温固相法和液相法等。其中，低温固相法和液相法（溶胶-凝胶法）虽然反应温度低，但产物的电化学性能不能令人满意，且不适合工业化生产的需要。所谓高温固相法，就是在高温下使锰源化合物与锂源化合物反应生成LiMn2O4。 由于LiMn2O4在高温下容量衰减较快，需通过钴离子掺杂进行改性制备LiMn1.85Co0.15O4. 对固相反应而言，原料的分散状态(粒度)、孔隙度、装填密度、反应物的接触面积等对固-固反应速度有很大的影响。必须将反应物粉碎并混合均匀以使原子或离子的扩散比较容易进行。就本实验所制LiMn1.85Co0.15O4，采用共沉淀制备锰钴碳酸盐前驱体以达到离子程度的均匀混合，然后混锂后再进行高温煅烧制备出目标化合物。 三、仪器和试剂 1．仪器 X射线衍射仪，充放电测试仪，箱式电阻炉(马弗炉，Mufflefurnace)，磁力搅拌器，陶瓷坩埚, 电子分析天平，恒温鼓风干燥箱，研钵，压力机，手套箱。 2．试剂 2 mol·L-1硝酸锰钴（Mn/Co=1.85:0.15）溶液，碳酸钠，碳酸锂，金属锂片，Celgard 2400隔膜，PVDF粘合剂（13%），导电炭黑，石墨，电解液（1.15mol·L-1LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)－碳酸二甲酯(DMC)－碳酸二乙酯混合溶液(质量比：EC:DMC:DEC=3:1:1)，电池壳。所有试剂均为分析纯。 四、实验步骤 1．Mn0.925Co0.075CO3的制备 取2mol·L-1的硝酸锰钴溶液40mL(约0.08mol), 至于烧杯中。称取8.9g碳酸钠（MW105.99）(0.084mol)至于另一烧杯中，然后加去离子水约80mL，摇动至完全溶解。将搅拌磁子至于硝酸锰钴溶液中，然后置于电磁搅拌器上进行搅拌，并开动加热，待温度升至约50℃，用滴管将碳酸钠溶液缓慢加入到硝酸锰钴溶液中（约半小时加完），控制溶液最终pH值约7.5~8，持续搅拌1h，将沉淀抽滤并用蒸馏水洗涤5~6次，而后置于恒温鼓风干燥箱中于110℃烘干。 2．锂锰钴复合氧化物LiMn1.85Co0.15O4的制备 将干燥的Mn0.925Co0.075CO3（MW 115.24）与摩尔比1:0.27的碳酸锂（MW 73.89）在研钵中研磨混匀（约需45～60min），转入陶瓷坩埚中，压实，开口放置在马弗炉中，于600℃下反应4h，然后升温至850℃反应12h，自然冷却到室温。 3．结构表征 将反应产物从马弗炉中取出，用研钵研细，装袋，标明合成人和合成条件，然后进行XRD表征。 4．电极的制备 将LiMn2O4粉末、石墨、乙炔黑以及作为粘合剂的PVDF(13%)按质量分数比86：2：6：6的比例混合均匀，加入适量的溶剂Ｎ-甲基吡咯烷酮（NMP）后，锂离子电池常用的粘结剂的种类、作用及性能
锂离子电池容量损失分析
锂离子电池性能测试
最经典的锂离子电池容量衰减原因分析
锂电池性能测试简介
锂离子电池容量衰减机理和界面反应研究
锂离子电池的优点
锂离子电池隔膜的性能要求
锂电池随使用而最大容量下降的原因
锂离子电池工作原理
最全最经典的电池容量衰减原因总结
锂离子电池简介及主要应用
锂离子电池充放电机理的探索
造成锂离子电池容量不同的原因分析
锂离子电池材料的制备和电化学性能表征