發(fā)布時間：2021-01-06 08:15

　　失效分析是通過剖析電池循環(huán)過程中復雜的物理和化學變化引起的失效現(xiàn)象,優(yōu)化材料制備和電池制作工藝,提升電池性能的有效途徑。通過對3.0～4.2 V電壓范圍1C循環(huán)1000周鎳鈷錳酸鋰(NCM,LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂)三元鋰離子動力電池拆解分析后發(fā)現(xiàn),正極容量損失約為2.73%,負極容量損失約為2.4%。對比正負極片循環(huán)前后X射線衍射和場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn),正極容量損失主要由正極顆粒破碎和結構轉變引起的,負極衰減主要由循環(huán)過程中Li⁺持續(xù)脫嵌導致石墨層狀結構損傷引起的。正極過渡金屬陽離子溶解并沉積在負極,催化電解液/電極界面副反應,導致負極過度成膜,活性鋰損失,影響電極過程動力學也是電池失效的原因之一。 

【文章來源】：應用化學. 2020,37(10)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

(A)循環(huán)前后正極片XRD數(shù)據(jù)對比;(B)循環(huán)前正極片的FESEM圖;(C)循環(huán)后正極片的FESEM圖

圖3A為循環(huán)前后負極片XRD對比。 循環(huán)后峰強變弱,峰位置略有偏移,且循環(huán)后的極片在小于(002)晶面處出現(xiàn)小的伴峰,可能是循環(huán)過程中鋰離子插入導致部分石墨層晶面間距變大引起的,說明循環(huán)過程中負極結構有部分損傷。 圖3B和3C為循環(huán)前負極極片不同倍數(shù)的FESEM圖,顆粒表面光滑,邊緣清晰。 循環(huán)后負極極片表面覆蓋一層較厚的膜狀物,推測為電解液與負極表面副反應形成的固體電解質界面(SEI)膜,SEI存在是一把雙刃劍,一方面適量的SEI膜可以穩(wěn)定電解液與負極界面,阻礙更多副反應的發(fā)生,增強電池循環(huán)穩(wěn)定性。 另一方面SEI過厚會導致電池活性鋰損失,極化嚴重,內阻增加。 循環(huán)過程中過渡金屬陽離子溶解并催化電解液不斷分解,遷移到負極表面破壞SEI膜,導致新的SEI不斷形成,消耗活性鋰,并增加電池內阻[15-16]。2.4 負極與電解液界面分析

圖5A為循環(huán)后電池負極表面Ni、Co、Mn元素的沉積量,其物質的量比為5∶1∶7.8,與原材料NCM523相比Mn最容易溶出,主要由循環(huán)過程中Mn3+更容易發(fā)生歧化反應導致的。 因此正極過渡金屬陽離子溶解并在負極沉積,催化電解液分解也是電池衰減的原因之一[18]。 圖5B為循環(huán)前后拆解的負極極片組裝扣電的EIS圖譜對比。 如圖所示,兩條譜線均是由一個扁圓和一條斜線組成,分別代表電荷轉移電阻Rct和鋰離子擴散電阻Zw[19-20]。 循環(huán)后電池表現(xiàn)出較大的扁圓半徑和較小的斜線斜率,說明循環(huán)后電池電荷轉移電阻增大和鋰離子擴散速率降低。 從電化學動力學上進一步證明負極過渡成膜是導致電池失效的原因之一。綜上所述,通過對在3.0～4.2 V電壓范圍1C循環(huán)1000周后的NCM動力電池拆解分析得到以下結論:對循環(huán)前后正極極片扣式電池測試數(shù)據(jù),計算得正極容量損失約為2.73%;由循環(huán)后正極片的FESEM和XRD測試分析發(fā)現(xiàn),正極容量損失主要由正極顆粒破碎和正極表面層狀結構向無序巖鹽結構引起。 對循環(huán)前后負極極片扣式電池測試數(shù)據(jù),計算負極容量損失約為2.4%;由循環(huán)前后負極片的XRD對比發(fā)現(xiàn),負極衰減主要循環(huán)過程中鋰離子不斷脫嵌導致部分石墨層狀結構損傷引起的;由FESEM分析結果發(fā)現(xiàn)負極過渡成膜導致活性鋰損失也是電池失效的原因之一。 對拆解后負極極片的界面進行EDS、ICP測試分析,負極過渡成膜是正極過渡陽離子溶解并沉積在負極,催化電解液與負極表面的副反應造成的。


本文編號：2960239