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，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[1]。鋰離子電池充放電電極反應(yīng)[2]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)極容量相對正極過量一些，假如不過量，在充電過程中負(fù)極會析出鋰，形成鋰枝晶從而影響安全性。負(fù)極相對正極過量太多，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[3]。在與正負(fù)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(yù)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。

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，對每一步的流程都要求非常嚴(yán)格。任何一個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[4]。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，卷成的電芯應(yīng)緊密、不松散[5]。隔膜和正負(fù)極卷得越緊，內(nèi)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(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(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[6]。

SEI膜的穩(wěn)定性對電池的穩(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存超過4年[7]。D.Aurbach等[8]拆解循環(huán)后的鈷酸鋰離子電池，通過SEM、XRD等實(shí)驗(yàn)對正負(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[9]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。