【知识共享】锂离子电池循环寿命——影响因素

随着科学技术的发展和技术的成熟，锂离子电池的应用越来越广泛。锂离子电池具有电池电压高、重量轻、环保等优点。

但经过多次充放电循环后，电池容量等性能会下降。同等条件下，电池容量衰减越快，电池质量就越差。

锂离子电池的充放电循环过程是一个复杂的物理化学反应过程，影响锂离子电池循环寿命的因素有很多，本文将对此进行讨论。

锂离子电池结构及原理

锂离子电池主要由正负极材料、电解液、隔膜、集流体和电池外壳等组成。正极和负极材料由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。

充电时，锂离子从正极脱嵌，通过隔膜嵌入负极，放电时则相反。锂离子电池首次充放电过程中，负极与电解液的相界面上会形成一层钝化膜。

它充当电极和电解质之间的隔膜。它是一种电子绝缘体，但却是锂离子的优良导体。锂离子可以通过钝化层自由嵌入和脱嵌。它具有固体电解质的特性，因此这种钝化膜被称为“固体电解质界面膜”，简称SEI膜。

设计和制造工艺对锂离子电池循环寿命的影响

材料特性

材料选择是电池设计过程中最重要的因素。不同的材料具有不同的性能特点，所开发的电池的性能也不同。只有配套的正负极材料的循环性能好，锂离子电池的循环寿命才会长。

在成分方面，要注意正极材料和负极材料的添加量。一般来说，在设计和组装过程中，一般要求负极的容量要大于阴极的容量。

如果不过量，充电过程中锂会从负极析出，形成锂枝晶，影响安全。如果负极超过正极太多，正极可能会过度脱锂，导致结构崩溃。

正极和负极集流体的性能也会影响电池的容量和循环寿命。锂离子电池正极和负极常用的集流体材料分别是铝和铜，两者都是易腐蚀的金属材料。

集流体被腐蚀后形成的钝化膜、附着力差、局部腐蚀（点蚀）和全面腐蚀都会增加电池的内阻，导致容量损失和放电效率降低。可通过酸碱蚀刻、导电涂层等预处理方法增强其附着力和耐腐蚀性。

电解质

电解液也是影响电池可逆容量的一个非常重要的因素。电极材料脱嵌锂离子的过程始终是与电解质相互作用的过程，这种相互作用对电极材料的界面条件和内部结构变化产生重要影响。

电解质在与正极和负极材料相互作用的过程中会损失。另外，电池在形成SEI膜并预充电时，也会消耗部分电解液。因此，电解液的类型和注液量也会影响电池的寿命。

常见的电解液由溶剂、锂盐和各种添加剂组成。正极材料和负极材料脱嵌锂离子的过程总是与电解质相互作用，由于这种相互作用，界面上会发生复杂的氧化还原反应，甚至会产生气体或固体产物，从而耗尽电解质。

气体会增加电池内部压力并导致电池变形，而固体产物会在电极表面形成钝化膜，导致电池极化增大，降低电池的输出电压。

这些因素都会对电池的容量和安全性产生负面影响，并最终影响电池的循环寿命。添加添加剂可以有效提高锂离子电池的循环性能，如在EC/DEC溶剂体系中添加少量添加剂苯甲醚。

制造流程

锂离子电池的制造工艺主要包括：正负极配料、涂布、片材制作、卷绕、制壳、注液、密封、化学化成等。在电池生产过程中，对工艺每一步的要求非常高。严格的。任何一个控制不好的过程都可能影响锂离子电池的循环寿命性能。

正极、负极配料过程中，应注意粘结剂的添加量、搅拌速度、浆料浓度、温度和湿度，保证材料能分散均匀。

在涂覆过程中，在保证电池高比能量的前提下，合理控制正极或负极的涂覆量，适当减小电极的厚度，有利于降低电池衰减率。涂覆后的极片需要用辊压机进一步压实。

适当的正极压实密度可以增加电池的放电容量，降低内阻，减少极化损耗，延长锂离子电池的循环寿命。

卷绕时，卷绕好的电芯应拉紧。隔板和电极卷得越紧，内阻越小，但如果卷得太紧，会导致极片和隔板润湿困难，导致放电容量变小。

如果卷绕过松，充放电过程中极片会过度膨胀，内阻增大，容量降低，缩短锂离子电池循环寿命。

电池材料老化降解对锂离子电池循环寿命的影响

锂离子电池的充放电过程是锂离子通过电解液在正极材料和负极材料之间来回移动的过程。锂离子电池在循环过程中，除了正极和负极发生氧化还原反应外，还发生大量的副反应。

如果能够将锂离子电池的副反应降低到较低水平，使锂离子始终能通过电解液在正极和负极材料之间顺利来回，就可以提高锂离子电池的循环寿命。

锂离子从正极到负极的运动必须穿过覆盖碳阳极的SEI膜。SEI膜的质量直接影响电池的循环寿命。

SEI膜的稳定性对电池的稳定性有重要影响。SEI膜不稳定，容易析出金属锂，导致负极活性物质快速降解。具有稳定SEI膜的锂电池可在高温下保存4年以上。

研究人员对经过200次充放电循环的铝塑膜锂离子电池进行研究，结果显示电池的放电容量逐渐下降，内阻和厚度逐渐增加。

将不同循环次数的电池拆解后，实验观察发现，经过200次循环后，正极表面出现了很多裂纹，平均粒径下降。负极显示SEI膜变厚，循环结束时有锂和锂化合物沉淀。

专业人士对电池内部材料随充放电循环的老化机理进行了深入分析，回顾了电极材料晶体结构的稳定性、活性物质之间的界面副反应等因素和电解质，以及粘合剂性能的下降。电源性能受到影响，总结了正极和负极老化的原因和影响。

对于负极材料来说，除了SEI膜的形成和生长导致负极组件之间接触不良而增加阻抗的因素外，主要因素有：溶剂嵌入C电极中产生气体，导致C颗粒破裂，循环中体积发生变化。

活性物质颗粒之间的接触会变差，析出的锂金属会与电解液发生反应，加速老化。

电池使用环境对锂离子电池循环寿命的影响

锂离子电池的使用环境对锂离子电池的循环寿命也非常重要，尤其是环境温度。环境温度过低或过高都会影响锂离子电池的循环寿命。低温下恒压充电时间增加，充电性能也明显恶化。

锂离子电池低温放电容量降低的主要原因包括：电解液导电性差、隔膜润湿或渗透性差、锂离子通过电极/电解液界面迁移缓慢等。此外， SEI 膜在低温下增加，减缓了锂离子通过电极/电解质界面的速度。

SEI膜阻抗增加的原因是低温下锂离子更容易从负极逸出，但嵌入更困难。充电时，金属锂会出现并与电解液发生反应，形成新的SEI膜覆盖原来的SEI膜，增加电池的阻抗，导致电池容量下降。

研究人员对同一批锂电池在60℃和常温下进行了300次充放电循环实验。在初始阶段，电池在60℃时表现出较高的放电容量。但随着循环的进行，电池容量衰减速度加快，循环稳定性下降，后期甚至出现电池鼓包。

锂离子电池在高温下充放电循环不稳定。高温导致电池电极电化学极化加剧并产生气体，导致鼓包。同时，电荷转移阻力增大，离子转移动力学性能下降。

此外，使用锂离子电池的设备在运输或正常操作过程中可能会受到振动、冲击和碰撞等条件的影响。有些锂电池一边充放电一边与系统通信，按照一定的频率接收数据信息。

设备振动时的频率可能会干扰电池频率，导致芯片数据错误或触发保护电路动作。在强烈振动或冲击下，锂离子电池的极耳、外部连线、端子、焊点等可能会断裂或脱落，电池极片上的活性物质也可能剥落，从而影响锂离子电池的性能。电池循环寿命甚至造成严重损坏。

充放电方式对锂离子电池循环寿命的影响

锂离子电池是最好的充电电池之一，其使用过程就是充放电循环的过程。充放电电流、充放电截止电压的选择以及所采用的充放电方法都对锂离子电池的循环寿命有非常重要的影响。

盲目地增大电池的工作电流、提高充电截止电压、或者降低放电截止电压都会降低电池的性能。

不同电化学体系的锂离子电池，其充放电截止电压不同。在锂离子电池的充电过程中，如果超过充电截止电压，则认为发生了过充电。

当锂离子电池过度充电时，从正极脱出的多余锂离子会沉积或嵌入负极，沉积的活性锂很容易与溶剂发生反应，释放热量使电池温度升高。正极受热分解放出氧气，使电解液容易分解并产生大量热量。

当锂电池的放电电压低于放电截止电压时，就形成过放电。在过度放电的过程中，锂离子会过多地从负极脱出，下次充电时很难再次插入。

总结

无论是在设计、制造还是使用中，影响锂离子电池循环寿命的因素有很多。锂离子电池的应用越来越广泛，人们对锂电池的需求在数量和质量上都提出了更高的要求。

锂离子电池的循环寿命直接影响锂离子电池的使用时间和质量，因此制造商有必要研究其影响因素。