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鋰離子電池--SEI膜

 鋰離子電池在電池首次從放電過程中,電極材料與電解液在固液相介面上發生反應,形成一層覆蓋於電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種介面層,具有固體電解質的特徵,是電子絕緣體卻是鋰離子的優良導體,鋰離子可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質介面膜”(solid electrolyte interface),簡稱SEI膜。

SEI膜的效能影響

    1. SEI膜的形成消耗了部分鋰離子,使得首次充放電不可逆容量增加,降低了電極材料的充放電效率。

    2. SEI膜具有有機溶劑不溶性,在有機電解質溶液中能穩定存在,並且溶劑分子不能通過該層鈍化膜,從而能有效防止溶劑分子的共嵌入,避免了因溶劑分子共嵌入對電極材料造成的損壞,因而大大提高了電極的迴圈效能和使用壽命。

SEI膜生成與副反應損耗容量區別

    1.在多次充放電後,石墨負極的表面往往會形成一層SEI膜,阻止電解液與石墨負極之間相互作用。但當溫度升高時,SEI膜會發生分解反應,引起電解質與負極表面發生不可逆反應,導致不可逆容量形成併產生熱量,使溫度進一步上升。

    2.溫度升高時,溶劑與電解質也會發生反應,放出熱量。

環境溫度對SEI膜的影響

使用及儲存溫度對SEI膜有很大的影響,從而影響到電池的使用壽命。高溫下SEI膜的穩定性不僅受溫度的影響而且還與電池的荷電狀態SOC有關。100%SOC狀態下超過45度高溫會破壞SEI膜的均一性,致使電極阻抗增大,迴圈效能衰減。而電池在SOC9%時於70度儲存後,負極表面SEI膜消失。

電壓對SEI膜的影響

    石墨負極體系中,SEI膜的形成依賴於電池電壓。電池電壓3.0V時,SEI膜開始形成,直到3.8V,這一階段主要生成Li2CO3;同時還有少量的LiF以及CH3OCO2Li生成,最終到達4.2V時主要就是電解質鹽的分解。所以SEI膜最外層的化合物主要為LiF。

    不同荷電狀態下,SEI膜的阻抗也不相同。負極滿電狀態時的SEI膜的阻抗高於放電狀態,這是由插鋰及脫鋰過程中負極體積變化造成的。

    電池過充時,過量的Li+沒有負極材料可供嵌入,那部分Li+就會在負極表面還原為金屬鋰析出,從而帶來短路的危險,而且,引起正極活性物質結構發生不可逆變化和電解液分解,產生大量氣體,放出大量熱量,使電池溫度和內壓增加,存在爆炸、燃燒等隱患。電池過放電時,負極表面SEI膜中的Li+全部脫出,SEI膜被破壞。當電池再次充放電迴圈時,重新形成SEI膜穩定性和緻密性可能變差,需要Li+量較大,由此造成放電容量和充放電效率降低。