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                    鋰離子電池的正負極材料的選擇是否會影響安全性么

                    鉅大LARGE  |  點擊量:486次  |  2024年02月27日  

                    鋰離子電池的內部組成主要為正極|電解質|隔膜|電解質|負極,在此基礎上再進行極耳的焊接,外包裝的包裹等步驟最終形成一只完整的電芯。電芯再經過初始的充放電,化成分容排氣等步驟以后,就可以出廠使用了。這個過程的第一步,是材料的選擇。影響材料的安全性因素主要是其本征的軌道能量、晶體結構和材料的性狀。


                    正極材料


                    正極活性材料在電池中的主要作用是貢獻比容量和比能量,其本征電極電勢對安全性有一定的影響。例如,近年來,中國已經將低電壓材料LiFePO4(磷酸鐵鋰)作為動力電池的正極材料廣泛應用于交通工具(例如混合式動力車HEV,電動車EV)和儲能設備(例如不間斷電源UPS)中,但是LiFePO4在眾多材料中所展現出來的安全性優勢實際是以犧牲能量密度為代價的,也就是說會制約其使用者(如EV,UPS)的續航能力。而像NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)等三元材料雖然在能量密度上表現優異,但是作為動力電池的理想正極材料,安全性問題一直得不到完善的解決。為了研究正極材料的熱行為,研究者們都做了很多工作,發現本征電極電勢和晶體結構是影響其安全性的主要因素,如電極電位μC和電解液的電化學窗口最高占據軌道HOMO是否完美匹配,晶格中能否順利同時通過多個鋰離子……通過對材料種類的選擇和元素的摻雜可以增強正極活性材料的安全性能。


                    負極材料


                    負極活性材料對安全性能的影響主要來自于其本征的軌道能量和電解質LUMO,HOMO的配置關系。在快充的過程中,鋰離子通過SEI(固態電解質界面)膜的速度可能比鋰在負極的沉積速度慢,鋰的支晶會隨著充放電循環而不斷生長,可能導致內短路而引燃可燃性的電解質發生熱失控,這一特性限制了負極在快充過程中的安全性。只有在以含碳材料作為緩沖層的鋰合金的負極電動勢和鋰的電動勢之差小于-0.7Ev,即μA<μLi0.7eV的情況下,才能保證鋰的沉積不會造成短路。出于安全性的考慮,動力電池應采用電動勢小于1.0eV(相對于Li+/Li0)的負極材料實現安全的快充或者能夠實現將充電電壓控制在遠低于鋰的沉積電位的范圍內。Li4Ti5O12在快充和快放領域有安全性的優勢,原因是其電動勢為1.5eV(相對于Li+/Li0),低于電解質的LUMO。還有一種負極材料Ti0.9Nb0.1Nb2O7,它可以在1.3≤V≤1.6V(相對于Li+/Li0)的電壓下快速充放30周以上,并且擁有300mAhg1的比容量,高于LTO。在放電的過程中因為不存在鋰離子通過SEI膜和在負極上沉積的速度競爭,所以快放過程是安全的。


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