锂离子电池寿命衰减因素及机制 中国储能工程大会CNESE.ppt

第二届储能工程大会——储能与动力电池关键技术论坛 锂离子电池性能衰减机制及影响因素 尹鸽平 杜春雨 哈尔滨工业大学 2016/6/16 Outline 高比能需求！ 安全性需求！ 长效性需求！ ——探究电池性能衰减原因，对电池材料、结构设计、生产工艺及使用制度进行有针对性的改善，从而获得长寿命的高能量密度、高安全性锂离子电池，具有十分重要的意义。 研究必要性 研究必要性 J. Vetter, et al., J. Power Sources, 147 (2005) 269-281 T. Prem Kumar, et al., J. Power Sources, 155 (2006) 401-414 Anthony Barré, et al., J. Power Sources, 241 (2013) 680-689 锂离子电池性能衰减情况非常复杂，受多种因素影响很大； 锂离子电池衰减主要因素及影响机制尚不明确； 意外故障发生对电池性能的影响及其机理还不清楚； Ting Guan, Yunzhi Gao*, Geping Yin*, et al., J. Power Sources, 268 (2014) 816-823. 锂离子电池性能衰减机制分析 正极的衰减 活性锂的损失 活性锂的不可逆消耗 极化的影响 Lijie Yang, Xinqun Cheng*, Geping Yin*, et al., J Electrochem Soc 160 (2013) A2093–A2099 负极容量衰减 欧姆阻抗、膜阻抗和传荷阻抗增加 锂离子电池性能衰减机制分析：负极 SEI膜 Lijie Yang, Xinqun Cheng*, Geping Yin*, et al., J Electrochem Soc 160 (2013) A2093–A2099 SEI膜不断生长 消耗电解液 锂离子电池性能衰减机制分析：负极 Lijie Yang, Xinqun Cheng*, Geping Yin*, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 6 (2014) 12962−12970 负极表面锂沉积物首先在下表面生长，然后在上表面生长 沉积物和负极从集流体上剥离，在循环后负极上形成鼓泡 大倍率循环和衰减后期，出现锂沉积物 锂离子电池性能衰减机制分析：负极   扣式电池电极面积上的容量损失（mAh） 扣式电池电极面积上的容量损失率（%） 各因素在全电池电极面积中所占比例（%） 全电池电极面积上的容量损失率（%） SEI膜 0.46 19.7 100.0 68.2 结构 0.08 3.5 100.0 12.1 沉积物 1.79 76.8 7.4 19.7 总计 2.33 100.0 - 100.0 存在较多锂沉积物的负极性能明显下降，阻抗增大 沉积物所占比例较小，则SEI膜依然是影响负极性能主要因素 锂离子电池性能衰减机制分析：负极 Ting Guan, Yunzhi Gao*, Geping Yin*, et al., Appl Energy, 177 (2016) 1–10.  元素 未水洗（%） 水洗后（%） C 54.70 100 O 38.21 0 F 6.34 0 P 0.17 0 S 0.37 0 Co 0.21 0 水洗负极——去除SEI膜及表面沉积层 负极水洗前后EDS分析 负极水洗前后 负极水洗后 水洗可完全去除负极SEI膜以及表面沉积层 锂离子电池性能衰减机制分析：负极 温度 大倍率 无论经何种老化测试，水洗后负极性能均能恢复，影响负极性能主要因素为SEI膜以及锂沉积物 负极水洗前后的性能比较 锂离子电池性能衰减机制分析：负极 Ting Guan, Yunzhi Gao*, Geping Yin*, et al., Appl Energy, 177 (2016) 1–10 XRD精修发现正极结构变化较小 锂离子电池性能衰减机制分析：正极 Ting Guan, Yunzhi Gao*, Geping Yin*, et al., Appl Energy, 177 (2016) 1–10 表面膜层增厚是影响正极容量衰减主要原因 锂离子电池性能衰减机制分析：正极 Ting Guan, Yunzhi Gao*, Geping Yin*, et al., J. Power Sources, 268 (2014) 816-823 Ting Guan, Yunzhi Gao*, Geping Yin*, et al., Appl Energy, 177 (2016) 1–10. 锂离子电池性能衰减因素量化分析 活性锂损失 Fresh cell：7.1 μg（极化）， 93.7 μg （不可逆消耗） 化成阶段活