影響鋰電池循環壽命的因素介紹

1鋰離子電池結構及原理簡介

鋰離子電池重要由正負極材料、電解液、隔膜、集流體和電池外殼組成，正負極材料由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時，鋰離子從正極上脫嵌下來通過電解液經隔膜嵌入負極，放電時則相反。在鋰離子電池首次充放電過程中，負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良導體，鋰離子可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出，具有固體電解質的特性，因此這層鈍化膜被稱為固體電解質界面膜(solidelectrolyteinterface)，簡稱SEI膜[1]。鋰離子電池充放電電極反應[2]為：

2設計和制造工藝的影響

在電池設計過程中，材料的選擇是最重要的因素。不同的材料性能特性不同，所研發的電池性能也有差距。正負極材料匹配的循環性能好，電池的循環壽命才會長。在配料方面，要注意正、負材料的添加量。一般來說，設計裝配過程中一般要求負極容量相對正極過量一些，假如不過量，在充電過程中負極會析出鋰，形成鋰枝晶從而影響安全性。負極相對正極過量太多，正極可能過度脫鋰，造成結構坍塌。

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，這種相互用途對電極材料的界面狀況和內部結構的變化有重要影響[3]。在與正負極材料相互用途的過程中電解液會損耗，另外在電池化成形成SEI膜和預充電時，也會消耗部分電解液，因此電解液的種類和注液量也影響著電池壽命。

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鋰離子電池的制造工藝流程重要包括：正負極配料、涂布、制片、卷繞、入殼、注液、封口、化成等。在電池生產過程中，對每一步的流程都要求非常嚴格。任何一個流程沒有控制好都有可能影響電池循環性能。

在正負極配料過程中，應注意粘結劑的添加量、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)極涂覆量，適當減小電極厚度有利于降低電池衰減速率[4]。涂布后的極片還要用輥壓機進一步壓實，合適的正極壓實密度可以增大電池的放電容量，減小內阻，減小極化損失，延長電池的循環壽命。

卷繞時，卷成的電芯應緊密、不松散[5]。隔膜和正負極卷得越緊，內阻越小，但卷得過緊時會造成極片與隔膜濕潤困難，致使放電容量變小；卷得太松會使極片在充放過程中發生過度膨脹，增大了內阻，降低了容量，縮短了循環壽命。

3電池材料老化衰退的影響

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

鋰離子從正極移動到負極必然經過覆蓋在碳負極上的SEI膜，SEI膜的好壞直接影響電池的循環壽命。國外學者對電池材料老化衰退的研究比較早，特別是對SEI膜的研究比較深入。重要的研究方法是通過電池壽命實驗數據并結合電化學表征手段來分析電池材料的穩定性和衰退機制[6]。

SEI膜的穩定性對電池的穩定性有重要影響。SEI膜不穩定容易析出鋰金屬，會導致負極活性材料快速衰退，形成穩定SEI膜的鋰離子電池可以在高溫條件下儲存超過4年[7]。D.Aurbach等[8]拆解循環后的鈷酸鋰離子電池，通過SEM、XRD等實驗對正負極片進行分析，將容量衰退重要歸因于負極SEI膜持續消耗Li+以及正極LiCoO2和HF形成的LiF界面膜等不可逆的副反應。P.Ramadass等[9]通過描述充放電循環過程中負極SEI膜持續上升引起的鋰離子損失的過程，建立了容量衰退模型。