鋰離子電池容量衰減原因詳細(xì)分析
本質(zhì)原因
鋰離子電池在兩個電極間發(fā)生嵌入反應(yīng)時具有不同的嵌入能量，而為了得到電池的最佳性能，兩個宿主電極的容量比應(yīng)該保持一個平衡值。在鋰離子電池中，容量平衡表示成為正極對負(fù)極的質(zhì)量比，即：
γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+
式中C指電極的理論庫侖容量，Δx、Δy分別指嵌入負(fù)極及正極的鋰離子的化學(xué)計量數(shù)。從上式可以看出，兩極所需要的質(zhì)量比依賴于兩極相應(yīng)的庫侖容量及其各自可逆鋰離子的數(shù)目。一般說來，較小的質(zhì)量比導(dǎo)致負(fù)極材料的不完全利用；較大的質(zhì)量比則可能由于負(fù)極被過充電而存在安全隱患?？傊谧顑?yōu)化的質(zhì)量比處，電池性能最佳。
對于理想的Li-ion電池系統(tǒng)，在其循環(huán)周期內(nèi)容量平衡不發(fā)生改變，每次循環(huán)中的初始容量為一定值，然而實(shí)際上情況卻復(fù)雜得多。任何能夠產(chǎn)生或消耗鋰離子或電子的副反應(yīng)都可能導(dǎo)致電池容量平衡的改變，一旦電池的容量平衡狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變就是不可逆的，并且可以通過多次循環(huán)進(jìn)行累積，對電池性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
在鋰離子電池中，除了鋰離子脫嵌時發(fā)生的氧化還原反應(yīng)外，還存在著大量的副反應(yīng)，如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬鋰沉積等，如圖1所示。Arora等[3]將這些容量衰減的過程與半電池的放電曲線對照起來，使得我們可以清楚地看出電池工作時發(fā)生容量衰減的可能性及其原因，如圖2所示。