一文看懂锂电池鼓包原因

面包板社区 2021-05-24 17:33

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锂电池是一种充电电池，主要依靠锂离子在正极与负极之间的往返嵌入和脱嵌来工作，实现能量的存储和释放。

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锂电池包的基本结构解析：

锂电池主要材料构成：正极材料、负极材料、电解液、隔膜（隔离材料）

电池简易结构

正极

从电池重量构成上来看，正极材料占有较大比例（一般在70%~80%）,因为正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。正极材料占锂离子电池成本30%~40%，也直接影响锂电池包的能量密度和性能。

负极

负极材料是由相对于正极电势更低的材料构成，并具有高比容量和较好的充放电可逆性，从而在嵌锂的过程中保持良好的尺寸和机械稳定性（不发生严重变形）。负极材料主要影响锂电池的效率、循环性能等，负极材料的性能也直接影响锂电池的性能，负极材料占锂电池总成本10~20%左右。负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。

电解液

电解液在正极与负极之间起到运输电荷的作用（类似与无线电中的载波），具有较高的离子电导率，一般应达到1x10-3~2x10-2 S/cm。它影响着锂电池包的能量密度、宽温应用、循环寿命、功率密度、安全性能等因素。

隔膜

隔膜有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性，对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力，保持离子导电性，同时具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离，此外应有足够的穿刺强度、拉伸强度等力学性能及耐电解液腐蚀性和足够的电化学稳定性。动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。

锂电池工作原理：

锂电池是一种充电电池，主要依靠锂离子在正极与负极之间的往返嵌入和脱嵌来工作，实现能量的存储和释放。

1、充电过程

在电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极晶格中。

电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。这是一般的锂电池充电的一个过程，如果锂电池存在于智能设备中，它的充电模式将会受到智能设备软件的控制。

2、放电过程

放电过程正好与充电过程相反，锂离子在电场作用下返回正极，电子通过外电路到达正极与锂离子复合。电池放电，此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上，正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

通过了解锂电池的充放电过程，我们可以从微观上理解，电池的容量其实就是电池所包含电荷的量。电流越大，放电速度越快，电池使用的时间就越短。

为什么电池在正常使用或者长时间不使用会出现鼓包的现象呢？

在充放电的过程中出现鼓包的现象有两种：

一．过充导致的鼓包

过度充电会导致正极材料里的锂原子全部跑到负极材料里面，导致正极原本饱满的栅格发生变形垮塌，这也是锂电池电量下降的一个主要原因。在这个过程中，负极的锂离子越来越多，过度堆积使得锂原子长出树桩结晶，使得电池发生鼓胀。

二．过放导致的鼓包

在液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。形成的钝化层膜能有效地阻止电解液分子的通过，但Li+ 却可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出，具有固体电解质的特征，因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ，简称SEI。SEI膜对负极材料会产生保护作用，使材料结构不容易崩塌，并且可以增加电极材料的循环寿命。SEI膜并非一成不变，在充放电过程中会有少许的变化，主要是部分有机物会发生可逆的变化。电池过度放电后使得SEI膜发生可逆性破环，保护负极材料的SEI破坏后使得负极材料崩塌，从而形成鼓包现象。