常見(jiàn)問(wèn)題
當(dāng)前位置:首頁(yè) >> 資訊中心 >> 常見(jiàn)問(wèn)題
鋰離子電池最高電壓不能突破4.5V的原因
1990 2022-03-28
  表述鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱鋰電池)儲(chǔ)能大小的參數(shù)是能量密度,在數(shù)值上大約相當(dāng)于電壓與鋰電池容量的乘積,為了有效提高鋰電池的儲(chǔ)電量,人們一般會(huì)用增加電池容量的方法達(dá)到目的。但是,限于所用原材料的性質(zhì),容量提升總是有限度的,于是提高電壓值成為提升鋰電池儲(chǔ)電能力的另一條途徑。大家知道,鋰電池標(biāo)稱電壓是3.6V或3.7V,最高電壓是4.5V。那么,鋰電池的電壓為什么不能獲得更大的突破呢?說(shuō)到底,這也是由鋰電池的材料及結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的。
  鋰電池的電壓是由電極電勢(shì)決定的。電壓也稱作電勢(shì)差或電位差,是衡量電荷在靜電場(chǎng)中由于電勢(shì)不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。鋰離子的電極電勢(shì)約是3V,鋰電池的電壓隨材料不同而有變化。如,一般的鋰電池額定電壓為3.7V,滿電電壓為4.5V;而磷酸鐵鋰電池額定電壓為3.2V,滿電電壓為3.65V。換句話說(shuō),實(shí)用中的鋰電池正極和負(fù)極之間的電勢(shì)差不能超過(guò)4.5V,這是一種基于材料和使用安全性的需要。
  假如以Li/Li+電極為參照電位,設(shè)μA為負(fù)極材料的相對(duì)電化學(xué)勢(shì),μC為正極材料的相對(duì)電化學(xué)勢(shì),電解液電勢(shì)區(qū)間Eg為電解液最低電子未占有能級(jí)和最高電子占有能級(jí)之差。那么,決定鋰電池最高電壓值的就是μA、μC、Eg這三個(gè)因素。
  μA和μC的差為鋰電池的開(kāi)路電壓(最高電壓值),當(dāng)這個(gè)電壓值在Eg區(qū)間內(nèi),就能夠保證電解液正常工作。“正常工作”的意思是:鋰電池通過(guò)電解液在正負(fù)極間來(lái)回運(yùn)動(dòng),但不會(huì)與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng),從而保證電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而正負(fù)極材料的電化學(xué)勢(shì)造成電解液工作非正常有兩種形式:
1、當(dāng)負(fù)極的電化學(xué)勢(shì)高于電解液最低電子未占有能級(jí)時(shí),負(fù)極的電子會(huì)被電解液奪取,因而電解液被氧化,反應(yīng)產(chǎn)物在負(fù)極材料顆粒表面形成“固液界面層”,從而導(dǎo)致負(fù)極可能遭到破壞。
2、當(dāng)正極的電化學(xué)勢(shì)低于電解液最高電子占有能級(jí)時(shí),電解液中的電子會(huì)被正極奪取,從而被電解液氧化,反應(yīng)產(chǎn)物在正極材料顆粒表面形成“固液界面層”,從而導(dǎo)致正極可能遭到破壞。
  但是,這種正極或者負(fù)極遭到破壞的可能性卻因?yàn)?ldquo;固液界面層”的存在而阻止了電子在電解液和正負(fù)極間的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),反而保護(hù)了電極材料,這就是說(shuō),程度較輕的“固液界面層”是“保護(hù)性”的。這種保護(hù)性的前提是:正負(fù)極電化學(xué)勢(shì)可以略微超過(guò)Eg區(qū)間,但不能超出太多。比如,現(xiàn)在的鋰電池負(fù)極材料之所以大多選用石墨,就是因?yàn)槭鄬?duì)于Li/Li+電極的電化學(xué)勢(shì)約為0.2V,略微超出了Eg區(qū)間(1V~4.5V),但因?yàn)橛?ldquo;保護(hù)性”的“固液界面層”,使得電解液不被進(jìn)一步還原,從而停止了極化反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)展。但是,5V高電壓正極材料超出了現(xiàn)在商用有機(jī)電解液的Eg區(qū)間太多,因而在充放電過(guò)程中極易被氧化,隨著充放電次數(shù)的增加,容量下降,壽命減少。
  現(xiàn)在明白了鋰電池的開(kāi)路電壓之所以選擇為4.5V,是因?yàn)楝F(xiàn)有商用鋰電池電解液Eg區(qū)間為1V~4.5V,如果開(kāi)路電壓設(shè)定為4.5V或許可以提高鋰電池輸出的電能,但也加大了電池過(guò)充的風(fēng)險(xiǎn),而過(guò)充的危害有相當(dāng)多的資料已經(jīng)說(shuō)明,這里就不再多說(shuō)了。
  根據(jù)上述原理,人們要想通過(guò)提高電壓值來(lái)提升鋰電池的能量密度,只有兩條道路可尋,一是找到可與高電壓值正極材料匹配的電解液,二是對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)性的表面改性。