18650鋰電池容量衰減原因
18650鋰電池在常溫下循環時的容量衰減與循環次數呈近似線性關系,200次循環以后,電池容量衰減率為15.6%。隨著循環次數的增加,電池的充放電容量均逐漸下降,充電電壓平臺升高,放電電壓平臺明顯下降,放電電壓平臺變短。由歐姆定律可知,電池在恒流充放電時,其輸入輸出電壓與電阻、電流存在以下關系:V=E-IR。式中,E為電池在平衡電位下的電動勢,I為恒流充放電電流(充電時電流為負值、放電時電流為正值),R是電池的總內阻,包括溶液內阻,正負極的極化內阻以及活性物質和溶液之間、活性物質與集流體之間的接觸電阻。電池在恒流充放制式下進行循環,充放電電流保持恒定不變。而隨循環次數增加,電池的總內阻在不斷增大。因此,電池循環過程中,充電電壓平臺逐漸升高,而放電電壓平臺逐漸降低。

隨著電(dian)(dian)(dian)池充(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)循(xun)環(huan)(huan)次數(shu)的(de)增(zeng)(zeng)加,在恒流充(chong)電(dian)(dian)(dian)過(guo)(guo)程(cheng)中所獲得的(de)容(rong)量(liang)(liang)隨著循(xun)環(huan)(huan)次數(shu)的(de)增(zeng)(zeng)加呈現下(xia)降趨勢,相反,在恒壓充(chong)電(dian)(dian)(dian)過(guo)(guo)程(cheng)中所獲得的(de)補充(chong)充(chong)電(dian)(dian)(dian)容(rong)量(liang)(liang)卻不(bu)(bu)斷提高(gao)。這是由(you)于,電(dian)(dian)(dian)池在循(xun)環(huan)(huan)過(guo)(guo)程(cheng)中,內阻(zu)不(bu)(bu)斷地上(shang)升,電(dian)(dian)(dian)池極化(hua)不(bu)(bu)斷增(zeng)(zeng)大(da),從而導致電(dian)(dian)(dian)池恒流段充(chong)電(dian)(dian)(dian)容(rong)量(liang)(liang)下(xia)降而恒壓段充(chong)電(dian)(dian)(dian)容(rong)量(liang)(liang)升高(gao)。
18650鋰電池的(de)內阻(zu)隨其(qi)開(kai)路電壓的(de)升(sheng)高(gao)而降低,隨循環(huan)次數(shu)的(de)增大而顯(xian)著增大。在滿電(100%SOC)狀態下,從(cong)化成(cheng)到200次循環(huan)以后,電池的(de)內阻(zu)升(sheng)高(gao),是電池容量衰減的(de)原因之一。
18650鋰(li)電(dian)池隨循(xun)環(huan)次數增(zeng)加(jia),電(dian)極與電(dian)解液(ye)界(jie)面上(shang)電(dian)荷遷(qian)移過程(cheng)的(de)電(dian)荷傳遞(di)阻抗(kang)(R)顯著(zhu)增(zeng)大,這可能是由于正(zheng)負極活性物質上(shang)沉積了高阻抗(kang)的(de)鈍化膜,以及鋰(li)離子脫出/嵌入有效位置(zhi)的(de)減(jian)少導(dao)致(zhi)的(de),而(er)電(dian)荷傳遞(di)阻抗(kang)的(de)增(zeng)大會導(dao)致(zhi)電(dian)池動力學性能的(de)下(xia)降,從而(er)導(dao)致(zhi)電(dian)池在長(chang)期循(xun)環(huan)過程(cheng)中(zhong)的(de)容量衰減(jian)。
正(zheng)(zheng)負極(ji)容量衰(shuai)減(jian)率(lv)相差不大,而隨(sui)著循環(huan)次(ci)數的增加,正(zheng)(zheng)負極(ji)的容量損失對(dui)于全電池容量損失的貢獻減(jian)小,而活性鋰(li)離子的直接損失以及鋰(li)離子在正(zheng)(zheng)負極(ji)之間遷移能力(li)的下降對(dui)全電池容量衰(shuai)減(jian)的貢獻提高。
循(xun)(xun)(xun)環前(qian)后18650鋰(li)電池(chi)正極極粉的(de)(de)(de)(de)晶(jing)格常數及(ji)晶(jing)面與晶(jing)面的(de)(de)(de)(de)衍射(she)峰(feng)強度。電池(chi)在(zai)循(xun)(xun)(xun)環前(qian)后,其正極材(cai)料(liao)物(wu)相(xiang)、結構均沒(mei)有發生(sheng)變(bian)化,始終保(bao)持純的(de)(de)(de)(de)層狀(zhuang)LiCoO2晶(jing)相(xiang),循(xun)(xun)(xun)環200次(ci)以后,沒(mei)有雜相(xiang)檢(jian)出,表(biao)(biao)明(ming)在(zai)循(xun)(xun)(xun)環過程中,正極材(cai)料(liao)沒(mei)有發生(sheng)相(xiang)變(bian)。隨著循(xun)(xun)(xun)環次(ci)數的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加,晶(jing)格常數a值保(bao)持不變(bian),而(er)c值逐漸增(zeng)大(da),這表(biao)(biao)明(ming)LiCoO,材(cai)料(liao)中的(de)(de)(de)(de)Li/Co比(bi)降低,即(ji)鋰(li)離子的(de)(de)(de)(de)量下降,這表(biao)(biao)明(ming)鋰(li)離子電池(chi)中的(de)(de)(de)(de)活性鋰(li)離子減少。而(er)kmy/lom的(de)(de)(de)(de)值逐漸減小,這表(biao)(biao)明(ming)隨循(xun)(xun)(xun)環次(ci)數增(zeng)加,正極LiCoO2材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)層狀(zhuang)結構規整程度下降,Li”、Co*離子混(hun)排度提高(gao)網。這可(ke)能導致(zhi)Li一(yi)嵌入脫出受到阻礙(ai),從而(er)導致(zhi)容量的(de)(de)(de)(de)損失。
18650鋰電池(chi)循(xun)(xun)環(huan)(huan)前后(hou)電池(chi)負極(ji)的XRD譜圖,說明(ming)電池(chi)在(zai)循(xun)(xun)環(huan)(huan)前后(hou),其負極(ji)材料(liao)物相、結構均(jun)沒(mei)有發生(sheng)(sheng)變(bian)(bian)化(hua)(hua),始終保持(chi)石墨晶相,循(xun)(xun)環(huan)(huan)200次(ci)以后(hou),沒(mei)有相變(bian)(bian)發生(sheng)(sheng),衍射峰強度有所(suo)下(xia)降。隨著循(xun)(xun)環(huan)(huan)次(ci)數(shu)的增加,晶格(ge)常數(shu)變(bian)(bian)化(hua)(hua)不大,om值逐(zhu)漸增大。利用Mering-Maire公式(shi)(也(ye)稱富(fu)蘭克林公式(shi))計算負極(ji)材料(liao)的石墨化(hua)(hua)度:
G=(0.3440-dom)/(0.3440-0.3354)?00%。式(shi)中G為(wei)(wei)石(shi)墨(mo)化度(du),%;0.3440為(wei)(wei)完全(quan)非石(shi)墨(mo)化炭的(de)層間(jian)距,nm,0.3354為(wei)(wei)理(li)想石(shi)墨(mo)晶(jing)體的(de)層間(jian)距,即為(wei)(wei)六方晶(jing)系(xi)石(shi)墨(mo)c軸點陣(zhen)常數的(de)1/2,nm,oa為(wei)(wei)碳材(cai)料(002)晶(jing)面(mian)的(de)晶(jing)面(mian)間(jian)距,nm。計算可知,從化成電池到(dao)200次循環以后電池,負(fu)極材(cai)料石(shi)墨(mo)化程(cheng)度(du)由87.2%下降(jiang)到(dao)75.6%。負(fu)極材(cai)料石(shi)墨(mo)化程(cheng)度(du)的(de)下降(jiang)會增大(da)Li+插入、脫插的(de)阻力,進而導致容量的(de)損失。
18650鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)200次循(xun)環(huan)后,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)容(rong)量(liang)衰減(jian)率(lv)為(wei)15.6%;而正(zheng)(zheng)極(ji)(ji)和負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)容(rong)量(liang)分(fen)別損失6.6%和4.3%;由(you)此推測電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)在前200次循(xun)環(huan)過程中(zhong)(zhong)容(rong)量(liang)衰減(jian)主要來自于活性(xing)鋰(li)(li)離子的(de)(de)損失以(yi)及電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)活性(xing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)損失;活性(xing)鋰(li)(li)離子的(de)(de)損失主要是由(you)于在循(xun)環(huan)過程中(zhong)(zhong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液與(yu)正(zheng)(zheng)負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)活性(xing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料反應不斷消耗活性(xing)鋰(li)(li)離子造成(cheng)的(de)(de);正(zheng)(zheng)極(ji)(ji)活性(xing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料層狀(zhuang)結構規(gui)整度(du)下降,離子混排度(du)提高,表面電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)傳遞(di)阻抗增大,導(dao)致(zhi)(zhi)其(qi)脫嵌鋰(li)(li)能力下降,從(cong)而導(dao)致(zhi)(zhi)容(rong)量(liang)的(de)(de)損失;負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)的(de)(de)容(rong)量(liang)損失主要是由(you)于負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)活性(xing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料上沉(chen)積(ji)了(le)鈍化膜(mo)(mo),導(dao)致(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)傳遞(di)阻抗大幅上升,另外(wai)負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)材(cai)(cai)(cai)(cai)料石墨化程度(du)降低,晶(jing)體缺陷增多(duo),這都會導(dao)致(zhi)(zhi)負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)脫嵌鋰(li)(li)能力下降以(yi)及容(rong)量(liang)的(de)(de)損失;此外(wai),隔膜(mo)(mo)孔(kong)隙率(lv)下降,阻礙(ai)鋰(li)(li)離子在正(zheng)(zheng)負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)之間移動,導(dao)致(zhi)(zhi)容(rong)量(liang)損失;在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)設(she)計時選擇(ze)合適(shi)的(de)(de)N/P比、提高正(zheng)(zheng)負(fu)(fu)(fu)極(ji)(ji)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)結構穩定性(xing)、優化電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液中(zhong)(zhong)成(cheng)膜(mo)(mo)添加劑配方進(jin)(jin)(jin)而穩定SEI膜(mo)(mo)、對(dui)隔膜(mo)(mo)進(jin)(jin)(jin)行表面處理防止(zhi)隔膜(mo)(mo)孔(kong)堵(du)塞等方面對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)進(jin)(jin)(jin)行改進(jin)(jin)(jin),有望進(jin)(jin)(jin)一步提高電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)循(xun)環(huan)壽命。
