鋰電池自放電原理與原因
鋰電池自放電對電池的影響,可以分為兩種:損失容量能夠可逆得到補償的自放電;損失容量無法可逆補償的自放電。按照這兩種鋰電池自放電分類,可以大約大概性的給出一些自放電的原因。
鋰電池自放電的原因:
1.造成可逆容量損失的原因:可逆容量損失的原因是發生了可逆放電反應,原理跟鋰電池正常放電反應一致。不同點是正常放電電子路徑為外電路、反應速度很快;自放電的電子路徑是電解液、反應速度很慢。
2.造成不可逆容里損失的原因:當電池內部發生了不可逆反應時,所造成的容量損失即為不可逆容里損失的。所發生不可逆反應的類型主要包括:
A:正極與電解液發生的不可逆反應(相對主要發生于錳酸鋰、鎳酸鋰這兩種易發生結構缺陷的材料,例如話酸鋰正極與電解液中鋰離子的反應:LiyMn204+xLi++xe-→Liy+xMn204等);
B:負極材料與電解液發生的不可逆反應(化成時形成的SEI膜就是為了保護負極不受電解液的腐蝕,負極與電解液可能發生的反應為:LiyC6→Liy-xC6+xLi++xe等);
C:電解液自身所帶雜質引起的不可逆反應(例如溶劑中CO2可能發生的反應:2C02+2e+2Li+→Li2c03
+Co;溶劑中O2發生的反應:1/202+2e+2i+→Li20)。類似的反應不可逆的消耗了電解液中的鋰離子,進而損失了電池容量。
D:制成時雜質造成的微短路所引起的不可逆反應。這一現象是造成個別電池自放電偏大的最主要原因??諝庵械姆蹓m或者制成時極片、隔膜沾上的金屬粉末都會造成內部微短路。生產時絕對的無塵是做不到的,當粉塵不足以達到刺穿隔膜進而使正負極短路接觸時,其對電池的影響并不大;但是當粉塵嚴重到刺穿隔膜這個“度”時,對電池的影響就會非常明顯。由于有是否刺穿隔膜這個“度”的存在,因此在測式大批電池自放電率時,經常會發現大部分電池的自放電率都集中在一個不大的范圍內,而只有小部分電池的自放電明顯偏高且分布離散,這些應該就是隔膜被刺穿的電池。
鋰電池自放電的測試方法:
測量電池擱置一段時間后的容量損失:自放電研究的本初目的就是研究電池擱置后的容量損失。但是,以下原因造成測試容量損失在實施上困難重重:A.充電過程中的不可逆程度過大,即使充電后馬上進行放電,放電容量/充電容量值都很難保證在100%?.5%以內。如此大的誤差,就要求測試之間的擱置時間必須非常長。而這很顯然不符合日常生產的需求。B.測試容量時需要大量電力和人力物力,過程復雜且增加了成本?;谝陨蟽蓚€考慮,一般不會將“則里擱置后放電容量對比之前充電容量的損失”來作為電池的自放電標準。
測量一段時間內的K值:衡量自放電程度的一個非常重要的指標K值=△oCV/At。K值常見單位為mV/d,當然這跟廠子自己的標準(或者廠子老大的個人喜好)、電池本身的性能、測里條件等有關。測量兩次電壓計算K值的方法更為簡便且誤差更小,因此k值是衡量電池自放電的常規性方法。以下文字可能會將K值與自放電混用,請大家注意。
自放電及K值的影響因素:
1.正負極材料、電解液種類、隔膜厚度種類:由于自放電很大程度上是發生于材料之間,因此材料的性能對自放電有很大的影響。但是材料的各個具體參數(比如正負極的粒徑、電解液的電導率、隔膜的孔隙率等)對自放電的影響到底有多大、有影響的原因是什么?這一問題不是研究的重點。一是問題本身太過復雜,二是對量產、搞研究皆沒有太大意義。不過好在文武的同事曾經做過實驗,發現三元電池的自放電率要高于鉆酸鋰電池。但是再多的,就不知道了(子曰:知之為知之,不知為不知,是智也)。
2.存儲的時間:存儲時間變長,一方面是使壓降的絕對值增大(廢話),另一方面則變相的減少了“儀器絕對誤差/
壓降值”,從而使結果更為準確。文武通過實驗發現,使用精度為0.1mV的儀器測試自放電,當測試時間超過14天時,才能夠將問題電芯(什么是問題電芯將在下面的文字中回答)與正常電芯區分出來(當然文武那批電池K值很小,
0.13mV/d左右)。
3存儲的條件:溫度和濕度的增加,會增大自放電程度。這點很好理解且論壇里下載的文獻中也見過這類數據,不再贅述。
4測試的初始電壓:初始電壓(或者說一次電壓)不同,所得K值差別明顯。文武曾將一批電池分為三組,初始電壓分別為A組3.92V(我們的出廠電壓)、B組3.85V、C組3.8V,然后則量K值(該批電池在實驗前已經進行了篩選,自放電水平相近且存儲、測試條件完全一致)。結果發現,A組的K值為X,B組K值約為1.8X,而C組雖然也會x,但是電壓有一個先升后降得階段。類似的結論在其它自放電測試中也有體現。不過,電池的自放電研究的終究是容量的損失,因此在不同初始電壓條件下雖然K值相差很多,但是容量損失差多少并不知道??紤]到測試容量誤差太大(做循環時候充/放能控制在100%?%就不錯了),因此并沒有做過此類實驗。感興趣的朋友可以嘗試一下。
測量自放電的作用:
1.預則問題電芯。同一批電芯,所用材料和制成控制基本相同,當出現個別電池自放電明顯偏大時,原因很可能是內部由于雜質、毛刺刺穿隔膜而產生了嚴重的微短路。因為微短路對電池的影響是緩慢的和不可逆的。所以,短期內這類電池的性能不會與正常電池相差太多,但是長期擱置后隨著內部不可逆反應的逐新加深,電池的性能將遠遠低于其出廠性能以及其他正常電池性能。表現為:最大容量的不可逆損失明顯偏高(例如三個月不可逆容量損失達到5%,而正常電池達到這一值要一年)、倍率容量保持率(0.5C0.2C、1C/0.2C)降低、循環變差且循環后易出現析鋰等。因此為了保證出廠電池質量,自放電大的電池必須剔除。
那么接下來的問題就是如何判定一個電池自放電大?如前所述,影響自放電的因素很多,故對所有電池給出一個經驗性的K值作為統一標準是不現實的。
2對電池進行配組。對于需要配組的電池,K值是重要的標準之一。在則量計算K值的過程中要注意,由于不同初始電壓下自放電水平有明顯差異,因此需要盡量保證電池的一次電壓是在一個不大的范圍內。如果問題電池已經挑出,那么剩下的電池自放電率應該差別不是很大。
3幫助制定電池出廠電壓、出廠容量。有些客戶有這類的要求:不管電池出廠電壓、出廠容量多少,只是要求電池運到了客戶手里,容量有60%。這時就需要評估電池在運輸過程中會產生的自放電程度,從而確定電池的出廠電壓或者容量。另外由于不同工藝、不同材料、不同儲能階段的電池自放電差值明顯,因此對此問題需要進行單獨的實驗而不能簡單套用其它實驗的數據。