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提升充电锂电池倍率对电池性能影响有什么?

我们都了解,锂离子电池随着充放电次数的新增,容量会越来越少,直接表现就是锂离子电池的性能越来越差。那么都有什么因素影响到锂离子电池的性能呢?

影响锂离子电池容量的影响因素很多,使用温度、充放电电流、充放电截止电压等因素都会影响锂离子电池的衰降速度。造成锂离子电池容量衰降的机理可以分为三类:内阻和极化新增、正负极活性物质损失和Li损失。

不同的外部因素对这三者的影响也各不相同。例如LiFepO4材料的锂离子电池具有非常好的循环性能,但是不同的使用条件对锂离子电池循环寿命有着重要的影响。试验证明对26650锂离子电池进行15C脉冲放电和15C持续放电,两种放电制度关于26650锂离子电池具有完全不同的影响。15C脉冲放电的26650锂离子电池容量衰降非常快,充放电40次后就无法再进行15C放电,但是仍然能够进行1C放电。而15C持续放电电池容量衰降较慢,60次以后仍然能够进行15C放电,但是1C倍率的衰降速率要快于15C脉冲放电。

锂离子电池提升倍率对电池性能的影响

机理分析得出结论:15C脉冲放电的电池在负极的SEI膜中出现更多的LiF,而LiF对锂离子扩散的阻碍更大,使得电池的Li+扩散阻抗和电荷交换阻抗迅速新增,从而使得电池在充放电过程中极化电压过大,从而导致LiFepO4大电流放电能力迅速下降。

锂离子电池的充电策略关于锂离子电池寿命衰降影响的研究,能够更好的指导我们对锂离子电池的设计。以下就不同充电控制策略对锂离子电池寿命衰降的影响,研究了其用途机理,提出锂离子电池的寿命衰降模型。研究试验表明,当充电电流和截止电压超过一定的数值时,锂离子电池的衰降将被极大的加速,为了降低锂离子电池的衰降速率,要针对不同的体系,要选择合适的充放电电流和截止电压。

倍率放电对电池性能的影响

从数据可以看到,随着充电的倍率的加大,锂离子电池的衰降速率也在快速新增,并且从曲线的斜率来看,电池的衰降速度存在三个不同的阶段,前期衰降速度较快的阶段(阶段1),中间衰降速度较慢的稳定阶段(阶段2),和后期的衰降速率加速阶段(阶段3)。针对三个阶段电池的衰降机理的研究认为,阶段1可能是因为电池SEI膜生长要消耗一部分Li+,因此衰降速度较快。在阶段2随着SEI膜结构的稳定,内部较为稳定,因此衰降速度较慢,在阶段3随着电池老化,开始发生活性物质损失,电极活性界面减少,导致电池关于电流十分敏感。图C是针对不同的截止电压对电池衰降速度影响的实验,从实验结果可以看到,当把充电截止电压提高到4.3V时会导致电池的循环性能急剧恶化,降低充电截止电压可以有效的改善电池的循环性能。

锂离子电池提性倍率对内阻的影响

对电池的动态内阻分析如图所示,从图a测试结果来看,当充电电流小于1C时,电池动态内阻随着电池循环的变化趋势几乎时相同的,但是当充电电流超过1C时,电池动态内阻新增速度会随着充电速率的新增而快速新增。从图b的测试结果来看,当充电截止电压为4.3V时,电池动态内阻新增非常迅速表明高截止电压会恶化电池的动力学条件,截止电压为4.1V和4.2V时电池动态内阻新增较为缓慢。

从上述分析我们可以注意到,无论是充电电流还是充电截止电压都存在一个值,当充电电流或者电压超过这个值时就会导致电池衰降加速,关于上述电池这个值是1C和4.2V,当充电电流和截止电压超过这个值后就会加速电池的衰降,当小于这个值时,提高充电电流和截止电压并不会显著的新增电池的衰降速度。关于充电电流和截止电压对电池衰降速度影响的机理研究显示,当充电电流低于1C时重要影响的是正负极活性物质损失,而截止电压低于4.2V时影响的重要是Li损失,当充电电流和截止电压高于这个值时,则会显著的加速正负极活性物质损失和Li损失。

提升充电锂电池倍率对电池性能影响有什么?

当前主流锂电池使用液态电解质,这存在起火等安全隐患,且特定体积内能够储存的能量有限。但能解决这些问题的下一代固态锂电池仍存在很多尚未攻克的难题。八月二十一日,优秀学术期刊《Matter》刊登我国科学技术大学的马骋教授和他的合作者最新成果,他们提出来一种新策略,可以有效解决下一代固态锂电池中电极材料和固态电解质接触差这一关键问题,合成出的固态复合物电极展现出优异的容量和倍率性能。

用固态电解质替换传统锂电池中的有机液态电解质可以极大缓解安全问题,且有望突破能量密度的”玻璃天花板”。然而,主流电极材料也是固态物质。由于两种固态物质之间的接触几乎不可能像固-液接触那样充分,目前使用固态电解质的电池难以实现良好的电极-电解质接触,电池整体性能也并不令人满意。

“固态电池的电极-电解质接触问题就像木桶的短板。”马骋教授说,”近年来研究者们已经研发出多种性能优异的电极和固态电解质,但因为两者间难以实现良好的接触,锂离子的传输效率受到很大限制。”

马骋团队及其合作者的方法有望解决这个难题。通过对一种经典钙钛矿结构的固态电解质中的杂质相进行原子级观测,虽然杂质和固态电解质结构迥异,研究者却观察到他们的原子在界面处能以相互外延的形式排布。经过一系列细致的结构和化学分析,研究者发现这一杂质相和高容量的富锂层状物电极结构相同。换言之,上述经典固态电解质能够以一种高性能正极的原子结构为模板进行结晶,从而在原子尺度形成紧密的界面。

相比于通常使用的冷压方法,新方法可以在原子尺度实现固态电解质和电极的充分、紧密接触。图中原子分辨率的电子显微镜照片直接证实了这一紧密接触。”这是个惊喜。”文章的第一作者,我国科学技术大学的硕士研究生李富振说道,”在材料中存在缺陷本来是一个很平常的现象,平常到了大部分时候会被人忽略的程度。但是,在对它们进行了细致观测以后,我们发现了意料之外的外延行为,正是这一发现启发了我们用于改进固-固接触的策略。”

利用观察结果,研究者将成分和钙钛矿固态电解质相同的非晶粉末在富锂层状物颗粒的表面做成结晶,成功地在新复合物电极中实现两种固态材料间充分、紧密的接触。解决了电极-电解质接触问题,这种固-固复合物电极的倍率性能可以和和固-液复合物电极相媲美。更重要的是,研究者们还发现这种外延的固-固接触可以容忍很大的晶格错配,因此他们提出的策略可适用于多种钙钛矿固态电解质和层状电极。

“这项工作指明了一个值得探索的新方向。”马骋教授说,”将这种原理应用到其他重要材料中也许能开发出更好的电池性能,引出更加有意思的科学问题。我们对此相当期待。”研究团队将沿着这个方向继续探索,并将他们提出的策略应用到其他高容量、高电位的正极中。合作团队包括清华大学的南策文院士团队和美国AmesLaboratory的LinZhou博士等。《Matter》是Cell出版集团下新推出的旗舰学术期刊。

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