重点解读锂离子电池全生命周期衰降机理

及应对方法

锂离子电池主要由正极、负极和电解液等部分构成，充电

的过程中Li+从正极脱出经过电解液迁移到负极表面，并嵌入到负极内部，放电的过程则正好相反，在理想的情况下Li+完全可逆的在正负极之间嵌入和脱出，锂离子电池的使用寿命也可以做到无穷长，但是在实际情况中，由于电解液／电极界面存在较多的副反应，因此会持续的消耗锂离子电池中的活性Li，并使得电池内阻增加，因此使用过程中电池的容量和性能总是在不断衰降。

延长锂离子电池的寿命是所有锂离子电池设计师的终极追求，而提高锂离子电池的使用寿命首先需要弄清楚锂离子电池的衰降机理。近日，清华学大学的Xuebing Han（第一作者）和欧阳明高院士（通讯作者）分析了不同体系锂离子电池的寿命衰降机理，并对如何提升锂离子电池的循环寿命给出了建议。

锂离子电池容量衰降的原因可以分为两大类：1）活性Li的损失（LLI）；2）正负极活性物质的损失（LAM），同时伴随着锂离子电池容量衰降往往还有电池内阻的增加和电解液的消耗（包括电解液中添加剂的消耗）。

负极的衰降机理

目前普遍应用的碳酸酯类电解液的稳定电压窗口在1-4.5V（vs Li+／Li）之间，但是常见的石墨负极的工作电位在0.05V左右，因此电解液在与嵌锂后的石墨材料接触时必然会发生还原分解反应，好在电解液分解后会在电极的表面形成一层惰性层（SEI膜），理论上这层惰性层能够传导Li+，但是对于电子是绝缘的，因此这层惰性层能够抑制电解液的进一步分解。但是负极在嵌锂的过程中会发生一定的体积膨胀，例如石墨材料会膨胀10%左右，而Si材料的体积膨胀则会达到惊人的300%以上，这会造成SEI膜产生裂纹，从而将新鲜的电极界面裸露出来，导致电解液的持续分解，这不仅仅会消耗锂离子电池内部有限的活性Li，还会引起电池阻抗的增加，这也是目前普遍接受的一种锂离子电池负极