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造成锂电池自放电、过放电以及过充电的因素有哪些?

  近年来,随着锂电池能量密度的提高和成本的降低,锂电池在电动汽车和储能领域得到了广泛的应用,锂电池自放电、过放电和过充电一致性对电动汽车和储能系统的寿命和可靠性有着非常重要的作用。本文从锂电池自放电、过放电以及过充电形成机理、影响因素以及检测方法等方面进行综述。

  自放电的影响因素

  电池的自放电现象是指电池处于开路搁置时,其容量自发损耗的现象,也称为荷电保持能力。自放电一般可分为两种 :可逆自放电和不可逆自放电。损失容量能够可逆得到补偿的为可逆自放电,其原理跟电池正常放电反应相似。损失容量无法得到补偿的 自放电为不可逆自放电,其主要原因是电池内部发生了不可逆反应 ,包括正极与电解液反应、负极与电解液反应、电解液自带杂质引起的反应,以及制成时所携带杂质造成的微短路引起的不可逆反应等。

  正极材料

  正极材料的影响主要是正极材料过渡金属及杂质在负极析出导致内短路,从而增加锂电池的自放电。研究发现原材料中以及充放电过程中产生铁杂质含量高的电池其自放电率高,稳定性差,原因是铁在负极逐渐还原析出,刺穿隔膜,导致电池内短路,从而造成较高的自放电。

  负极材料

  负极材料对自放电的影响主要是由于负极材料与电解液发生的不可逆反应。早在2003年,Aurbach等人就提出了电解液被还原而释放出气体,使石墨部分表面暴露在电解液中。在充放电过程中,锂离子嵌人和脱出时,石墨层状结构容易遭到破坏,从而导致较大自放电率。

  电解液

  电解液的影响主要表现为:电解液或杂质对负极表面的腐蚀;电极材料在电解液中的溶解;电极被电解液分解的不溶固体或气体覆盖,形成钝化层等。目前,大量科研工作者致力于开发新的添加剂来yi制电解液对自放电的影响。Jun Liu等人在NCM111电池电解液中添加VEC等添加剂,发现电池高温循环性能提高,自放电率普遍下降。其原因是这些添加剂可以改善SEI膜,从而保护电池负极。

  存储状态

  存储状态一般的影响因素为存储温度和电池SOC。一般来说,温度越高,SOC越高,电池的自放电越大。Takashi等在静置条件下对磷酸铁锂电池进行容量衰减实验。结果表明随温度的升高,容量保持率随搁置时间逐渐降低,电池自放电率升高。

  其他因素

  影响电池自放电率的因素众多,除以上介绍的几种外,主要还存在以下方面:在生产过程中,分切极片时产生的毛刺,由于生产环境问题而在电池中引入的杂质,如粉尘,极片上的金属粉末等,这些均可能会造成电池的内部微短路;外界环境潮湿、外接线路绝缘不完、电池外壳隔离性差等造成的电池存储时有外接电子回路,从而导致自放电;长时间的存放过程中,电极材料的活性物质与集流体的粘结失效,导致活性物质的脱落和剥离等导致容量降低,自放电加大。以上的每一个因素或者多个因素的组合均可造成锂电池的 自放电行为 ,这对自放电原因查找及估测电池的存储性能造成困难。