電池副反應

電池副反應

電池副反應是指電池中附加的多餘的反應,會導致充電效率降低以及容量、壽命損失或性能下降。

定義

電池中附加的多餘的反應,會導致充電效率降低以及容量、壽命損失或性能下降。

產生原因

用純鋅作負極的原電池,鋅片上有少量氣泡產生。用不純鋅作負極的原電池,鋅片上有較多氣泡產生。由此可見,鋅片不純,在鋅片上自身就形成了許多微小的原電池,的確是鋅片上發生副反應的原因。但是我們也看到,即使是用純鋅作原電池的負極,負極上還是有氣泡,從而說明了鋅片不純不是原電池負極上發生副反應的唯一原因。

原電池反應的實質是,在負極上某種微粒失去電子,電子由負極通過外電路流向正極,在正極上某種微粒得電子。這樣,一個氧化還原反應就在2個不同的位置(負極和正極)進行。即在負極上進行氧化反應,在正極上進行還原反應,在外電路中產生了電流,化學能轉變成了電能。原電池負極上發生的副反應,與外電路存在電阻有關,電阻越小,副反應越少,電阻越大,副反應越明顯。

影響因素

1.研究發現,當荷電狀態(SOC)和充電電流密度越大,測試溫度越低,石墨負極的電位就會越負,負極表面的鋰沉積副反應也越容易發生。

2. 從電池層面上看,在一定範圍內增大N/P比有助於將負極的荷電狀態限制在較低水平,從而降低電池老化速率,使電池內阻增加更慢。

3. 從負極反應動力學的角度看,鋰沉積副反應也受到負極材料種類、形貌、電導率的影響。它們從擴散傳質或電荷轉移的角度影響負極極化程度,從而對負極電位及負極反應造成影響。

4. 從活化能的角度看,溶劑化鋰離子在電解液中擴散時需要克服的活化能可以忽略不計,而溶劑化鋰離子在去溶劑化、擴散穿過SEI膜及電荷轉移過程中需要克服的活化能卻最高。隨著充電過程的進行,負極嵌入的Li+數目逐漸增多,Li+在負極活性材料中擴散時需要克服的活化能增大,固相擴散更加困難。

5. 溫度對鋰沉積副反應的影響:根據阿倫尼烏斯公式,當電池在低溫下循環時,鋰沉積副反應相對於嵌鋰過程有更大的反應速率,即在低溫條件下負極更傾向於發生鋰沉積副反應。這已被低溫下石墨負極電位更負的實驗觀測結果所驗證。此外,低溫條件下的電荷轉移與固相擴散也更慢,負極表面沉積的金屬鋰與電解質之間的反應速率也會下降。

6. 充電倍率對鋰沉積副反應的影響:充電電流倍率決定了單位面積負極材料上的鋰離子通量。當Li+在負極內的固相擴散過程較慢(例如當溫度過低、荷電狀態較高或Li+在該材料中擴散需要克服較大的活化能),而充電電流密度過大時,負極表面就會發生鋰沉積副反應。當其他條件不變,而電流密度增大到一定閾值時,負極電位就會變負,並伴隨著鋰沉積副反應的開始。

7. 需要注意的是:負極表面是否發生鋰沉積副反應是由充電倍率、溫度、荷電狀態這三個因素共同決定的。例如:(1)在低溫條件下充電並不意味著負極一定會發生鋰沉積副反應。只有當荷電狀態和(或)電流密度超過一定閾值時才會發生鋰沉積副反應。(2)在鋰離子電池的充電過程中,如果在荷電狀態較低時採取較高的充電電流密度,而在荷電狀態較高時採取較低的充電電流密度,鋰沉積副反應就能得到有效的抑制。

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