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详解:锂电池老化过程中分解产物

新能源Leader 中字

OFweek锂电网讯 随着电子技术的不断发展,锂离子电池也逐渐走进了我们的日常生活之中,无论是智能手机,还是平板电脑等都能够见到锂离子电池的身影,一般来说消费级电子产品的更新和换代速度很快,因此锂离子电池的寿命一般设计到500次以上也就基本上满足需求了,但是对于一些需要长期使用的领域,例如电动汽车设计寿命一般要达到十年左右,要满足如此长时间的使用寿命需求,锂离子电池的寿命一般需要设计到1000次以上,甚至是3000次,这就需要我们对锂离子电池老化和衰降过程的机理有深入的认识。

详解:锂电池老化过程中分解产物

影响锂离子电池寿命的因素很多,例如电极的成分和结构,电解液的选用,以及使用的条件等。

锂离子电池的电解液一般包含,溶剂盐(常见的为LiPF6)和直链碳酸酯,如DMC,EMC和DEC等,以及环状碳酸酯,例如EC和PC等组成,由于锂离子电池的体系的电化学势较高,正极一般超过4V,负极可达0.1V左右,所以电解液在锂离子电池内部面临的双重的考验,既不能被正极氧化,也不能被负极还原,为了改善电解液的电化学稳定性,还需要在其中添加一些添加剂,例如FEC、VC等,在锂离子电池初次充电的过程中,这些添加剂会与与负极发生反应,被还原,从而在负极的表面形成一层保护层,从而阻止溶剂进一步与负极发生反应。

但是电解液在循环过程难以避免发生分解和氧化等,造成一部分活性Li的损失,为了研究在电池老化过程中,电解液的发生的变化,来自德国明斯特大学的Xaver Monnighoff等人利用超临界二氧化碳萃取和气相色谱等方法对老化电池中的电解液进行了成分分析,在电解液中发现了17种不稳定的老化产物,其中有7种在以往的文献中从未报道过。

实验中Xaver Monnighoff采用了18650电池结构(NMC532/C),分别在20℃和45℃按照1C/1C的制度进行循环测试(2.75V-4.2V),寿命终止EOL定位初始容量的70%,完成测试的电池在手套箱内完成拆解,将取出的电芯,利用超临界二氧化碳萃取设备进行萃取,然后利用气相色谱仪对上述分离的电解液进行了成分分析。

下图是从全新电池中提取的电解液的气相色谱仪分析结果,从其中能够看到电解液常见的溶剂和添加剂的。

详解:锂电池老化过程中分解产物

电池在20℃和45℃下的循环性能曲线如下图所示,从结果上来看,温度对电池的循环性能有着显著的影响,在45℃下循环的电池具有更好的循环性能,寿命终止时循环次数在1500次左右,而20℃下电池的循环性能很差,仅仅循环300次左右就已经达到了寿命终止,分析认为,导致20℃下电池的循环性能差的原因主要是因为PC溶剂的共嵌入和石墨片层剥落。

详解:锂电池老化过程中分解产物

下图是从新电池、20℃和45℃循环电池内获取的电解液的气相色谱分析结果,为了便于分析Xaver Monnighoff将分析结果分为三个部分,分别是3-7min,7-10min和10-13min。在区域1中,新电池的电解液检测到了三个峰值,分别对应的是EMC和单氟磷酸盐EMFP(可能是电池在化成和SEI成膜过程中由于VC分解产生),以及VC。在45℃循环电池的电解液中只发现了EMC和EMFP,这说明在成膜过程中已经将VC完全消耗。而在20℃循环的电池中发现了多种分解产物,从图片上能够看到EMC(1号峰),DMFP(2号峰)和EMFP(5号峰),以及其他三种含有丙烯链的产物(3,4和6号峰),分别为甲基异丙基碳酸酯(3号峰MiPrC),碳酸甲丙酯(4号峰MPrC), 1,2-二乙氧基丙烷(6号峰),没有检测到VC。

详解:锂电池老化过程中分解产物

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