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新虫 (初入文坛)

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[交流] 锂离子电池负极材料的首次充放电效率为什么很重要？

我实验室做得的碳类负极材料首次效率只有50%，但是其容量高而且稳定性非常好，请问各位大侠，这样低首次效率的材料能用于成品电池吗？锂离子电池的首次效率为什么很重要？

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1楼 2012-07-13 11:50:02

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1、所谓锂离子电池，也叫做“摇椅电池”——即锂离子在电池体系内反复地在正负极之间进行锂的嵌入和插入。
2、目前的锂离子电池体系使用嵌锂正极和石墨负极，体系用于充放电的锂离子首先从正极中出来进入负极（电池充电），放电时锂离子再从负极出来进入正极。
3、现有锂离子电池一般采用“锂离子总量限制的方式”设计锂离子电池，即一般使用有限的正极，而使用稍微过量的负极，这样从正极出来的锂离子不会使负极达到插锂饱和状态（否则将有金属锂枝晶的形成，引起安全事故）。
4、负极的首次充放电效率非常重要就是因为——在上述“锂离子总量限制的方式”的电池体系中，锂离子的总量、可用量就决定了锂离子电池的容量，最好的负极就是——充电时从正极那里得到多少锂离子，放电时就放出多少锂离子给正极。但实际情况是——电池在首次充放电过程中，负极会消耗一部分来自正极的锂离子（一般在10%以下）以形成SEI膜，这样最终能回到正极的锂离子就少了10%，电池的实际容量比理论容量也少了10%。
5、新型的负极材料（例如碳纳米管、石墨烯），其首次充放电效率很低，甚至只有30%的首次充放电效率，也就是说，用正极材料和这些负极材料匹配成电池时，70%的正极的锂离子在第一次充放电完成后就成为了负极SEI膜成分或消耗在了其它方面，而无法再回到正极。什么叫二次电池？在这种情况下，正极中的锂离子脱嵌出去而无法在从负极那里返回到正极，也就无法实现电池的应有容量，我们采用大容量负极的目的是增加电池的总体容量，但这种情况下（首次效率低），反而浪费了正极中宝贵的锂离子，降低了电池的的实际容量。
6、如果把锂离子比喻成水，而正负极是两个瓶子，正极是玻璃瓶、负极是木头瓶，而水最初在玻璃瓶里，从玻璃瓶到木头瓶，再从木头瓶回到玻璃瓶。但由于木头有一定的吸水性，第一次的时候就会有水被吸附到木头瓶上而无法回到玻璃瓶；而如果采用新型的木头瓶，虽然容量可以很大，但其本身的吸水量也很大（吸水70%），那么玻璃瓶里的水在第一次流到新型木头瓶后就有70%的水被瓶子吸收，而只有30%的水可再次回到玻璃瓶，那么玻璃瓶就有70%的水被浪费了！
7、当然，如果能提前对木头瓶进行浸水处理，再与玻璃瓶匹配，那么是可以保证正极里的水有更高的利用效率，但对锂离子电池而言，对负极的预先锂化处理还没有很好的方式在生产上得到应用。