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水分对锂电池的影响以及控制

导读: 固体电解质界面(Solid-ElectrolyteInterface,简称SEI)膜是一层选择性透过膜,能使Li+自由透过,而电解液分子不能透过。电解液的组成和痕量的添加剂对SEI膜形成的电位、致密程度、电池不可逆容量损失、电池内阻等有显著的影响。

  水分的影响

  固体电解质界面(Solid-ElectrolyteInterface,简称SEI)膜是一层选择性透过膜,能使Li+自由透过,而电解液分子不能透过。电解液的组成和痕量的添加剂对SEI膜形成的电位、致密程度、电池不可逆容量损失、电池内阻等有显著的影响。水作为电解液中一种痕量组分,对锂离子电池SEI膜的形成和电池性能有一定的影响。主要表现为电池容量变小,放电时间变短,内阻增大,循环容量衰减,电池膨胀等现象,因此,在锂离子电池的制作过程中,必须严格控制环境的湿度和正负极材料、电解液的含水量。

  水分对放电容量的影响

  电池首次放电容量随电池中水分的增加而减小。在锂源恒定的条件下,电池首次放电容量的变化主要由2个主要因素制约。

  1、SEI膜的形成消耗部分Li十,造成不可逆容量损失,单电子还原过程生成的烷基碳酸锂还可以与电解液中的痕量水发生反应,2ROC02Li+H2O→LieC03+C02+2ROH,当生成C02后,在低电位下的负极表面,有新的化学反应发生2C02+2Li++2e→LieC03+CO。

  2、SEI膜形成以后,在仍然有H2O存在的条件下,H2O会促使电解液中LiPF6的分解,使电池放电时间缩短,LiPF6→LiF+PFs,PFs+H2O→POF3+2HF。

  水分对锂电池内阻的影响

  随着电池水分的增加,内阻呈上升的趋势。产生电池内阻差异的主要因素有如下2个方面。

  1、SEI膜的差异导致电池内阻的差异。在电解液溶剂体系中,痕量的水能够形成以Li2CO3为主、稳定性好、均匀致密的SEI膜,其内阻较小。

  2、水分含量多于体系形成SEI膜的所需含量时,在SEI膜表面生成POF3和LiF沉淀,导致电池内阻增加。

  水分对电池循环容量衰减的影响

  电池容量衰减随水分含量增加而逐渐减小。这与SEI膜的致密程度和均匀性有关。当SEI膜均匀致密时,电解液溶剂不易嵌人到负极中,占据Li十嵌人空位,因此容量衰减很少。与此相反,当SEI膜的局部不致密、不均匀时,Li十嵌人空位被电解液溶剂占据相对较容易。LieC03是形成均匀致密SEI膜最主要的组分,电解液溶剂体系中,当水分含量过量时,会导致SEI膜的局部不致密、不均匀,因此容量衰减增加。

  电池会膨胀主要是因为SEI膜生成后水的存在使LiPF6分解生成HF气体。

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