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作者：江岸 來源：粉體網 “新能源還在路上，環(huán)保壓力山大。 鋰離子電池（LIB）具有高能量密度，高工作電壓，長循環(huán)壽命，低自放電率，無記憶效應和環(huán)保等優(yōu)點，使得鋰離子電池的應用領域已從商用電子產品擴展到電動汽車和電網儲能。 然而，商業(yè)化鋰離子電池多采用有機液體電解質，因其易燃易揮發(fā)和復雜的固/液界面問題，存在一定的安全隱患，一定程度上限制了鋰離子電池的應用。液態(tài)美中不足，人們便將視線轉移到固態(tài)電解質，研究表明固態(tài)電解質具有不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)以及安全和高度可靠等諸多優(yōu)點，此外還具有實現高功率和高能量密度的潛力，因此，采用固態(tài)電解質的電池被譽為“下一代鋰離子電池”。 美好可期的事物，總是充滿了未知挑戰(zhàn)。液態(tài)鋰離子電池（LIB）如此，固態(tài)鋰離子電池（ASSB）也不能免俗。目前，關于固態(tài)電解質的研究多集中在高離子電導率、電化學穩(wěn)定性、固態(tài)電解質與電極之間的相容性，復合電極結構和界面改性策略以及機械性能等方面，但是開發(fā)性能優(yōu)異的固態(tài)鋰離子電池也離不開對其失效機制的分析。 固態(tài)鋰離子 電池失效分類 TITLE CONTENT 固態(tài)鋰電池的失效行為會嚴重影響電池性能，包括降低電池的能量密度、功率密度、可靠性、安全性和循環(huán)壽命，從而影響電池的大規(guī)模商業(yè)化應用。目前固態(tài)電池的失效可歸納為：循環(huán)容量損失、內阻增加、內短路、熱失控、日歷失效等失效行為。 循環(huán)容量損失 循環(huán)容量損失是電池最常見的失效行為。在固態(tài)電池中，除鋰離子脫嵌時發(fā)生的氧化還原反應外，還存在著大量副反應，如電解質降解、活性物質相轉變、不均勻鋰沉積等，這些副反應存在會導致電池的循環(huán)容量損失。此失效行為一般用容量保持率和Coulomb效率來量化。循環(huán)容量損失有2類：首周充放電過程容量損失、循環(huán)過程持續(xù)容量損失。一般來說，相比于循環(huán)過程容量損失，首周容量損失是電池容量衰減的主要原因。 內阻增大 內阻增大是固態(tài)鋰電池在循環(huán)過程中的另一個重要失效行為。內阻增大會導致電壓、能量密度和功率密度下降、電池產熱以及循環(huán)壽命降低等問題，還會增加固態(tài)鋰電池極化程度以及額外容量損失。一般采用無機固態(tài)電解質鋰電池在循環(huán)過程中內阻升高幅度要顯著大于采用聚合物電解質的固態(tài)鋰電池。 內短路 在固態(tài)電池中，內短路的發(fā)生往往會導致電池自放電，容量衰減、局部熱失控。目前的研究中，固態(tài)電解質的內短路機制尚不清楚，普遍認同的觀點是固態(tài)電池內鋰枝晶的存在導致了內短路發(fā)生，但完整電池體系中，短路情況更為復雜，目前還缺乏有力證據證明內短路的原因。 熱失控 熱失控指鋰離子電池內局部或整體溫度急速上升，熱量不能及時散去，積聚并誘發(fā)副反應的失效行為。該過程劇烈、危害性高、甚至伴有產氣和起火爆炸。固態(tài)電解質大都具有較好的高溫穩(wěn)定性，在防止熱失控方面具有較好的安全性，但熱失控仍然是不可忽略。 日歷失效 無論你用或不用，問題都在那里。在電池擱置過程中，同樣存在性能失效，既日歷失效。通?？筛鶕姵氐氖C理建立模型來預測日歷失效行為。通過監(jiān)測特定充放電狀態(tài)的電池在一定擱置時間和溫度條件下，電池自放電率、容量損失、內阻增加等情況，也可以來評價電池的日歷失效行為。影響電池日歷失效的原因有很多，包括溫度、壓力、擱置時間、擱置方式、電池內部結構等。現有研究結果表明，擱置時間越久，內阻增加得越大，電池的日歷失效越嚴重，擱置期間的內阻增加與電解質的種類密切相關。 固態(tài)鋰離子 電池失效機理 TITLE CONTENT 不僅想知道怎么沒的，還想知道怎么來的。為了闡明固態(tài)鋰電池中失效行為的原因，科研人員開展了大量有針對性的失效機理研究。 概括來說，固態(tài)鋰電池的失效主要來自電極與電解質的固/固界面反應，包括正極活性顆粒的副反應和體積形變，負極鋰金屬的枝晶生長、粉化和體積膨脹，以及電極和電解質界面處的接觸失效、過充、熱失控等。一旦在固/固界面生成阻礙電子和離子導電的界面層，就會使固態(tài)鋰電池的動力學性能雪上加霜。相對于液態(tài)鋰電池，固/固界面雖然可以抑制過渡金屬離子溶出，但隨之而來的空間電荷層、元素互擴散、界面反應、鋰枝晶等界面問題，將會導致內阻增加，容量衰減，甚至發(fā)生內短路。 從電化學阻抗分析來看，正極界面阻抗增加占主導地位。這是因為正極在固態(tài)鋰電池中的離子導電路徑與在液態(tài)電池中不同。因此，解決正極和電解質的界面問題對于提升固態(tài)鋰電池性能至關重要。 此外，固態(tài)鋰電池的剛性結構，同樣會導致固態(tài)鋰離子電池電化學機械失效問題。 小結 解決固態(tài)電池的失效問題，關鍵在固態(tài)電池電極與電解質的固/固界面。如何避免或減少空間電荷層的形成、元素互擴散以及界面反應的發(fā)生，從而避免或減少失效行為的發(fā)生，除了尋找合適的固態(tài)電解質來優(yōu)化固/固界面之外，根據正極材料和鋰金屬各自的特性選擇合適的材料進行表面改性也不失為一種好的解決方案。 參考資料： 王濤. 固態(tài)電池失效分析 ARMAND M. Building better batteries BRUCE D. Electrical energy storage for the grid: A battery of choices TARASCON J M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries XU K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries 如果本文對你有所幫助， |
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