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影響鋰離子電池循環(huán)性能的7大因素
時間：2017-03-25
循環(huán)性能對鋰離子電池的重要程度無需多言，就宏觀來講，更長的循環(huán)壽命意味著更少的資源消耗，因而，影響鋰離子電池循環(huán)性能的因素，是每一個與鋰電行業(yè)相關的人員都不得不考慮的問題。
1、水分
過多的水分會與正負極活性物質發(fā)生副反應、破壞其結構進而影響循環(huán)，同時水分過多也不利于SEI膜的形成，但在痕量的水分難以除去的同時，痕量的水也可以一定程度上保證電芯的性能。
2、正負極壓實
正負極壓實過高，雖然可以提高電芯的能量密度，但是也會一定程度上降低材料的循環(huán)性能，從理論來分析，壓實越大，相當于對材料的結構破壞越大，而材料的結構是保證鋰離子電池可以循環(huán)使用的基礎；此外，正負極壓實較高的電芯難以保證較高的保液量，而保液量是電芯完成正常循環(huán)或更多次的循環(huán)的基礎。
3、測試的客觀條件
測試過程中的充放電倍率、截止電壓、充電截止電流、測試中的過充過放、測試房溫度、測試過程中的突然中斷、測試點與電芯的接觸內阻等外界因素，都會或多或少影響循環(huán)性能測試結果，另外，不同的材料對上述客觀因素的敏感程度各不相同，統(tǒng)一測試標準并且了解共性及重要材料的特性應該就足夠日常工作使用了。
4、負極過量
負極過量的原因除了需要考慮首次不可逆容量的影響和涂布膜密度偏差之外，對循環(huán)性能的影響也是一個考量，對于鈷酸鋰加石墨體系而言，負極石墨成為循環(huán)過程中的"短板"一方較為常見，若負極過量不充足，電芯可能在循環(huán)前并不析鋰，但是循環(huán)幾百次后正極結構變化甚微但是負極結構被破壞嚴重而無法完全接收正極提供的鋰離子從而析鋰，造成容量過早下降。
5、涂布膜密度
單一變量的考慮膜密度對循環(huán)的影響幾乎是一個不可能的任務，膜密度不一致要么帶來容量的差異、要么是電芯卷繞或疊片層數的差異，對同型號同容量同材料的電芯而言，降低膜密度相當于增加一層或多層卷繞或疊片層數，對應增加的隔膜可以吸收更多的電解液以保證循環(huán)，考慮到更薄的膜密度可以增加電芯的倍率性能、極片及裸電芯的烘烤除水也會容易些，當然太薄的膜密度涂布時的誤差可能更難控制，活性物質中的大顆粒也可能會對涂布、滾壓造成負面影響，更多的層數意味著更多的箔材和隔膜，進而意味著更高的成本和更低的能量密度，所以，評估時也需要均衡考量。
6、材料種類
材料的選擇是影響鋰離子電池性能的第一要素，選擇了循環(huán)性能較差的材料，工藝再合理、制成再完善，電芯的循環(huán)也必然無法保證；選擇了較好的材料，即使后續(xù)制成有些許問題，循環(huán)性能也可能不會差的過于離譜，從材料角度來看，一個全電池的循環(huán)性能，是由正極與電解液匹配后的循環(huán)性能、負極與電解液匹配后的循環(huán)性能這兩者中，較差的一者來決定的，材料的循環(huán)性能較差，一方面可能是在循環(huán)過程中晶體結構變化過快從而無法繼續(xù)完成嵌鋰脫鋰，一方面可能是由于活性物質與對應電解液無法生成致密均勻的SEI膜造成活性物質與電解液過早發(fā)生副反應而使電解液過快消耗進而影響循環(huán)。在電芯設計時，若一極確認選用循環(huán)性能較差的材料，則另一極無需選擇循環(huán)性能較好的材料，浪費。
7、電解液量
電解液量不足對循環(huán)產生影響主要有三個原因，一是注液量不足，二是雖然注液量充足但是老化時間不夠或者正負極由于壓實過高等原因造成的浸液不充分，三是隨著循環(huán)電芯內部電解液被消耗完畢。第三點，正負極特別是負極與電解液的匹配性的微觀表現為致密且穩(wěn)定的SEI的形成，而右眼可見的表現，既為循環(huán)過程中電解液的消耗速度，不完整的SEI膜一方面無法有效阻止負極與電解液發(fā)生副反應從而消耗電解液，一方面在SEI膜有缺陷的部位會隨著循環(huán)的進行而重新生成SEI膜從而消耗可逆鋰源和電解液。不論是對循環(huán)成百甚至上千次的電芯還是對于幾十次既跳水的電芯，若循環(huán)前電解液充足而循環(huán)后電解液已經消耗完畢，則增加電解液保有量很可能就可以一定程度上提高其循環(huán)性能。
1、水分
過多的水分會與正負極活性物質發(fā)生副反應、破壞其結構進而影響循環(huán)，同時水分過多也不利于SEI膜的形成，但在痕量的水分難以除去的同時，痕量的水也可以一定程度上保證電芯的性能。
2、正負極壓實
正負極壓實過高，雖然可以提高電芯的能量密度，但是也會一定程度上降低材料的循環(huán)性能，從理論來分析，壓實越大，相當于對材料的結構破壞越大，而材料的結構是保證鋰離子電池可以循環(huán)使用的基礎；此外，正負極壓實較高的電芯難以保證較高的保液量，而保液量是電芯完成正常循環(huán)或更多次的循環(huán)的基礎。
3、測試的客觀條件
測試過程中的充放電倍率、截止電壓、充電截止電流、測試中的過充過放、測試房溫度、測試過程中的突然中斷、測試點與電芯的接觸內阻等外界因素，都會或多或少影響循環(huán)性能測試結果，另外，不同的材料對上述客觀因素的敏感程度各不相同，統(tǒng)一測試標準并且了解共性及重要材料的特性應該就足夠日常工作使用了。
4、負極過量
負極過量的原因除了需要考慮首次不可逆容量的影響和涂布膜密度偏差之外，對循環(huán)性能的影響也是一個考量，對于鈷酸鋰加石墨體系而言，負極石墨成為循環(huán)過程中的"短板"一方較為常見，若負極過量不充足，電芯可能在循環(huán)前并不析鋰，但是循環(huán)幾百次后正極結構變化甚微但是負極結構被破壞嚴重而無法完全接收正極提供的鋰離子從而析鋰，造成容量過早下降。
5、涂布膜密度
單一變量的考慮膜密度對循環(huán)的影響幾乎是一個不可能的任務，膜密度不一致要么帶來容量的差異、要么是電芯卷繞或疊片層數的差異，對同型號同容量同材料的電芯而言，降低膜密度相當于增加一層或多層卷繞或疊片層數，對應增加的隔膜可以吸收更多的電解液以保證循環(huán)，考慮到更薄的膜密度可以增加電芯的倍率性能、極片及裸電芯的烘烤除水也會容易些，當然太薄的膜密度涂布時的誤差可能更難控制，活性物質中的大顆粒也可能會對涂布、滾壓造成負面影響，更多的層數意味著更多的箔材和隔膜，進而意味著更高的成本和更低的能量密度，所以，評估時也需要均衡考量。
6、材料種類
材料的選擇是影響鋰離子電池性能的第一要素，選擇了循環(huán)性能較差的材料，工藝再合理、制成再完善，電芯的循環(huán)也必然無法保證；選擇了較好的材料，即使后續(xù)制成有些許問題，循環(huán)性能也可能不會差的過于離譜，從材料角度來看，一個全電池的循環(huán)性能，是由正極與電解液匹配后的循環(huán)性能、負極與電解液匹配后的循環(huán)性能這兩者中，較差的一者來決定的，材料的循環(huán)性能較差，一方面可能是在循環(huán)過程中晶體結構變化過快從而無法繼續(xù)完成嵌鋰脫鋰，一方面可能是由于活性物質與對應電解液無法生成致密均勻的SEI膜造成活性物質與電解液過早發(fā)生副反應而使電解液過快消耗進而影響循環(huán)。在電芯設計時，若一極確認選用循環(huán)性能較差的材料，則另一極無需選擇循環(huán)性能較好的材料，浪費。
7、電解液量
電解液量不足對循環(huán)產生影響主要有三個原因，一是注液量不足，二是雖然注液量充足但是老化時間不夠或者正負極由于壓實過高等原因造成的浸液不充分，三是隨著循環(huán)電芯內部電解液被消耗完畢。第三點，正負極特別是負極與電解液的匹配性的微觀表現為致密且穩(wěn)定的SEI的形成，而右眼可見的表現，既為循環(huán)過程中電解液的消耗速度，不完整的SEI膜一方面無法有效阻止負極與電解液發(fā)生副反應從而消耗電解液，一方面在SEI膜有缺陷的部位會隨著循環(huán)的進行而重新生成SEI膜從而消耗可逆鋰源和電解液。不論是對循環(huán)成百甚至上千次的電芯還是對于幾十次既跳水的電芯，若循環(huán)前電解液充足而循環(huán)后電解液已經消耗完畢，則增加電解液保有量很可能就可以一定程度上提高其循環(huán)性能。
下一篇：鋰電池剩余壽命精確估算的重要性
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