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小知识 | 锂离子电池为什么会析锂?

2024-09-12 09:36:48 来源:锂电前沿
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简介:锂离子电池析锂是指在特殊条件下,电池中的锂金属在负极表面析出的现象。当一些异常状况发生、如在低温环境下,或当电池被重复充电或受到外界力量作用时,造成从正极脱嵌的Li+无法正常嵌入负极的话,那么Li+就只能析出在负极表面,从而形成一层灰色的金属锂,这就叫做析锂。
一、析的基本概念

锂离子电池析锂是指在特殊条件下,电池中的锂金属在负极表面析出的现象。当一些异常状况发生、如在低温环境下,或当电池被重复充电或受到外界力量作用时,造成从正极脱嵌的Li+无法正常嵌入负极的话,那么Li+就只能析出在负极表面,从而形成一层灰色的金属锂,这就叫做析锂。

Li+发生不可逆的反应形成金属锂

Li+发生不可逆的反应形成金属锂

通俗的讲,当外电源给锂离子电池充电时,正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,Li+从正极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达负极,与早就跑过来的电子结合在一起。当电解液的Li+扩散速率大于其插入石墨的速率,导致越来越多的锂在石墨表面堆积,使得负极电位接近锂析出的电位,从而导致锂在负极沉积并长大。

这种长大后的金属锂后通常呈现为树枝状结晶,被称为锂枝晶。
这种长大后的金属锂后通常呈现为树枝状结晶,被称为锂枝晶。

锂表面的枝晶
锂表面的枝晶

锂枝晶的生长不仅会降低电池性能,限制电池容量,还可能刺破隔膜,造成锂离子电池的内部的微短路,微短路往往造成电池温度急剧升高。在高温情况下隔膜又会发生熔化,收缩和破损,于是真正的电池短路来了,几乎同一个瞬间也伴随着电池的着火和爆炸。


因为析锂发生在锂离子电池充电过程,这也是锂离子电池在充电情况下,可能引起电池的起火和爆炸的主要原因之一。

二、锂电池析锂的原因

一. 负极容量不够

N/P值是锂离子电池中正极容量与负极容量之比,也称为电池平衡(CB)值。N/P(CB)值小,比如说设计时负极的容量低于正极的容量,造成负极没有足够的位置容纳锂的嵌入;最终只能在负极表面还原。类似的道理:工艺上负极极片表面敷涂不均匀,漏涂负极面,极片表面划痕等情况的出现,都会影响锂电(或者局部)N/P值的变化,进而造成析锂的出现。

二.嵌锂过程中路径异常

极片内部结构设计不合理,隔膜褶皱,电芯变形,电芯内部有气泡,化成工艺中未加压等情况均会造成锂离子在负极表现析锂。

三. 负极表面的SEI膜异常造成析锂

1. 电解液选择的不合理:电解液和正负极材料不匹配导致石墨表面形成的SEI膜过厚。

2. 工艺上的不合理:石墨极片的压实密度过高,电解液湿润不完全,造成极片内部无法嵌入锂离子;电解液中水分含量超标,水会与电解液反应破坏SEI膜;电解液注液量不足或者电解液与活性材料不相容;化成工艺不符合要求或者未经过化成直接分容。

四、电池使用阶段析锂:

使用的不当,电池受到外力作用变形;高温使用和储存过程中导致产气过多,负极表面充有气体,失去嵌锂通道;

正极为什么不会析锂呢

简单来说负极的析锂一般的满足两个条件:

热力学:负极电位<0V。

动力学:充放电倍率的提高或者锂离子在固相内的扩散速率降低,导致锂沉积在负极表面。

常见正极材料100%嵌锂的电位都在3V以上,几乎无法达到0V,所以不满足锂离子还原为锂金属的热力学条件,即正极不会发生析锂。
         
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