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负极活性物质对锂离子电池安全性的影响

2022.8.26

  锂离子电池的负极活性材料重要为碳材料,其成功之处即在于以碳负极替代了锂负极,从而充放电过程中锂在负极表面的沉积和溶解变为锂在碳颗粒中的嵌入和脱出,减少了锂枝晶形成的可能,大大地提高了电池的安全性,但这并不表示使用碳负极不存在安全性问题。

  (1)不同类型的碳材料对电池安全性的影响

  前人研究声明,随着温度的升高,嵌锂状态下的碳负极与电解液发生放热反应。在相同的充放电条件下,电解液与嵌锂石墨反应的放热速率远大于与嵌锂的MCMB、碳纤维、焦碳等的反应速率。硬碳类材料、软碳类材料、石墨类材料的碳层间距d002约分别为0.38nm、0.34~0.35nm、0.335nm,当锂嵌入碳后,层间距约为0.371nm。石墨类材料的层间距最小,其在锂离子的嵌入和脱出过程中形变最大,锂离子在此类碳层中的扩散速度也较慢,大电流充放电时,极化大,电阻大,电池的安全性差,硬碳类材料则反之。然而也有人认为:石墨化程度新增可以降低锂离子扩散的活化能,有利于锂离子的扩散,而硬碳类材料由于存在大量的空洞,大电流充放时,其表现接近于金属锂负极,安全性反而不好。

  (2)负极材料的粒径对电池安全性能的影响

  电极中颗粒之间大多为点接触,故小颗粒碳负极电阻比大颗粒碳负极的大,但后者由于半径大,其在充放电过程中膨胀收缩变化较显,据此如将大小颗粒按一定配比制成负极即可达到张大颗粒之间接触面积,降低电极阻抗,新增电极容量,减小活性金属锂析出可能性的目的。

  (3)SEI膜对电池安全性能的影响

  电池的SEI膜是由溶剂分子、锂盐阴离子、杂质分子在充放电过程中经还原分析而萌生的不溶物于负极表面沉积而形成。SEI膜形成的质量笔直影响锂离子电池的充放电性能与安全性,据有关报道:将碳材料表面弱氧化,或经还原、搀杂、表面改性的碳材料以及使用球形或纤维状的碳材料都有助于SEI膜质量的提高。

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