讨论锂电池中锂枝晶的形成
石墨中所嵌入的锂的含量超过了它所承受的范围,那么多余的锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合,在负极表面上开始沉积(deposition)。而对于要形成锂枝晶,一个必要的条件就是,负极的表面是不平整的(roughness),这样就会给锂枝晶的形成提供产所和便利。这时候的锂是沉积在隔膜和负极的接触部位,但是生长的方向是沿着从负极→隔膜的走向,因此反应发生的地点是在负极与电解液的界面上。
Cohen提出的模型是基于复杂的SEI膜生长的,他们的观点在非水电解液中,由于在活性物质表面形成,其界面上反应活性点多,形成了马赛克状多层结构,导致了SEI形成的不均衡,SEI的厚度不均和离子导电性差异,进而引起 SEI的局部沉积和溶解,也使活性物质层和SEI膜部分。
Micromorphological Studies of Lithium Electrodes in Alkyl Carbonate Solutions Using in Situ Atomic Force Microscopy
Yamaki 等人提出了晶须生长的理论,他们认为锂枝晶生长模式是晶须生长,锂的沉积位置是膜上具有更高离子电导率和晶界以及缺陷的位置,这导致了锂原子分布的不均匀和造成SEI膜下应力分布的不均,为了缓解这类应力,锂的表面张力会促使其穿透SEI膜形成晶须,而锂沉积继续在锂基底上而非晶须,最终使锂电极表面长满晶须,长时间的沉积使电极表面被长晶须覆盖,阻碍锂离子的继续传输,然后锂才会沉积才晶须的连接处和尖端(这些地方一般都有缺陷),由于这类“粗大”连接的出现,锂沉积的电流密度变得很小,使其继续成为颗粒状的锂枝晶或者非晶锂。[A consideration of the morphology of electrochemically deposited lithium in an organic electrolyte]
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SEI的形成是先于Li枝晶的形成的,Li的沉积不仅仅在电极表面也是在SEI中的,那么,这些Li的金属颗粒将作为电子传输通道和锂枝晶生长的种子层,因此,SEI将极大影响锂枝晶的生长。
循环寿命的衰减则主要由活性材料晶格应变循环所导致的疲劳断裂引起。对于磷酸铁锂颗粒,沿着相界面分布的应变场会导致晶格位错或断裂,缺陷的增多将显着地降低锂离子的扩散速率,从而导致电池倍率性能的衰退。晶格断裂也会导致活性材料与导电剂脱附而无法获得电化学反应所需的电子,造成可用容量的损失。对于石墨负极,晶格片层之间靠微弱的范德华力维系,锂离子的嵌入和脱嵌极易造成晶格的扭曲和破坏,不断促使电解质在新暴露出的石墨表面分解沉积,形成 SEI 膜,导致电池老化。在锂离子嵌入石墨材料的过程中,电解质会在石墨表面发生反应形成一层固体电解质界面(Solid ElectrolyteInterface,SEI)。该界面为绝缘体,因而能够有效避免电池的自放电。
锂的电化学沉积速率(i0=~8*10-4A/cm2)远大于锂离子的扩散传输速率(D=~ 4×10-6 cm2·s-1),故锂电极受扩散控制,特征表现为产生锂支晶
非常感谢,很是受用。
简单地来说,只能用一首歌的歌词了。原谅我一生放荡不羁爱自由。
自然界的枝叶分布,是为了最大程度的接受光能。这是从低能到高能的分布。
冶金及这里的锂晶枝分布,都是为了最大程度的释放能量——自由。最终达到平衡状态。
可不可以认为是在负极表面先形成SEI膜,然后Li在SEI膜的表面沉积形成锂枝晶?另外之前看到一篇文献介绍通过扫CV得出锂在石墨电极的沉积电位为-0.045V,这个是否正确?
没有SEI膜,也能有锂枝晶。锂在石墨电极的沉积电位为-0.045V是正确的。
几乎所有的液相溶剂化金属离子电化学沉积都会形成金属枝晶,显然是与浓差极化强相关联,电极表面的能态分布和电场分布肯定也会影响枝晶的形成及枝晶形貌特征,但在微环境中主控方还应当是浓差极化因素,当然有些文献说电极表面的晶核数太少也是原因之一,在我眼里是次级因素。令人不能忍受的,无论是解决枝晶的措施如:脉冲充电,电解液循环,还是颠簸震动,这些现实的可操性太差!一个好的电池应当具有可靠性和滥用性,搞纯理论的人往往会陷入这种沼泽。当很多因素缠绕在一起的时候,学者总是用她自己善长的理论工具撰写自己的意见,这样会把本来很疑惑的问题变的更加的迷茫。不过还是很欣赏你有多学科知识背景,对电极研究,动力学对过程的描述会更细致些。欢迎指点
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从锂电池工作特征来看,它不可能具备烂用性。实践证明了它是一种危险性较高的电池。它在小容量领域成功的应用了,当然重要的是得益于现代硅半导体数字集成电路的广泛使用,也就是我们通常所说的5V. 3.3V电路系统。这样几乎所有电器都只要使用一节锂电池就可以满足电路要求,几乎不用考虑电池组的平衡问题也不用考虑制造时同批次的性能差异带来的棘手的难题。即便如此,在大容量大功率,高电压电池组的安全性问题上还远远没有解决方案。尽管如此我们为了迎合所谓的环保理念还是什么官商勾结联合拉动各自的需求还是压制报道刻意夸张绿色能源,几乎已经丧失理智的恶意操作锂电产业。