锂离子电池工作原理及保养方法有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-08-17 10:52
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锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。
锂离子电池中电解液为酯类溶剂体系，反应活性比较高，因此不适合金属锂电池，而醚类溶剂则相对比较稳定，研究表明醚类电解液能够很好的抑制金属锂枝晶的生长。除了溶剂体系外，锂盐的选择也对金属锂负极的性能有着显著的影响，例如高浓度的LiFSI能够显著的提升锂金属电池的库伦效率。
能够注意到醚类电解液的低温电导率要明显低于碳酸酯类电解液，同时我们还注意到两种不同浓度的LiFSI电解液的电导率曲线上有一个突变点，这主要是因为在温度降低的过程中LiFSI沉淀析出导致的，但是如果我们在电解液添加LiTFSI后就能够有效的抑制LiFSI的沉淀现象。
我们能够看到金属锂负极在碳酸酯类电解液中非常不稳定，首次效率仅为54.7%，经过85次循环后库伦效率才逐渐提高到80%，表明金属锂在碳酸酯类电解液中稳定较差，副反应较多从而严重影响金属锂负极的循环性能。而在醚类电解液中金属锂负极的稳定性则要好的多，不仅首次效率显著提高，在随后的循环中电池的充放电库伦效率也很快达到了98.2%（SSEE电解液）和97.9%（BSEE电解液）并稳定循环了200次。
由于金属锂是一种非常活泼的金属，具有非常强的还原能力，因此金属锂在沉积过程中的致密度就非常关键，更加致密的结构能够有效的减少金属锂与电解液之间的接触面积，减少副反应的发生，对于提升库伦效率和循环寿命都有积极的影响。下图为金属锂在几种不同电解液中的沉积的表面形貌，从下图a中能够看到在碳酸酯类电解液中沉积的金属锂存在大量的枝晶，金属锂呈现非常疏松的堆积状态，而采用高浓度醚类电解液的金属锂颗粒比较大，沉积层也更加致密。对沉积层的截面观测能够发现，在碳酸酯类电解液中沉积的金属锂层中存在大量的孔隙（下图d），而在SSEE电解液中，金属锂沉积层主要由大颗粒的金属锂组成，并且沉积层中的孔隙也显著减少（下图e），而在采用双锂盐的BSEE电解液中，金属锂沉积层的结构被进一步优化，金属锂沉积层中没有见到明显的孔隙。这表明高浓度的醚类电解液能够有效的抑制锂枝晶的生长，而采用双锂盐醚类电解液则能够进一步改善金属锂沉积层的结构。
低温透射电镜技术是近年来兴起的一种观测技术，在极低的温度下能够最大限度的避免被观测材料被电子束破坏，因此这也让原位观测锂枝晶的产生和生长成为了可能。从下图能a能够看到在普通的碳酸酯类电解液中金属锂沉积会形成条状结构，无序的生长的锂枝晶在沉积层内产生了大量的孔隙，而在SSEE电解液中，金属锂沉积层主要是由锂枝晶和锂纳米片组成，而在BSEE电解液中，金属锂沉积层则完全是由无定形的锂纳米片结构构成。
为了分析电解液对于金属锂沉积行为的影响，Judith Alvarado采用密度函数的方法对于金属锂在BSEE电解液（LiSFI+LiTSFI，溶剂DME）中的沉积行为进行了研究，计算显示在金属锂表面的首先发生的反应是LiFSI的还原和分解，然后才发生LiTFSI的分解。虽然LiTFSI分解反应比较滞后，但是在电解液中LiTFSI能够吸引负极表面的电子，并将LiFSI从负极表面挤走，减缓LiFSI分解速度，从而在金属锂的表面形成一层更加均匀和更加稳定的SEI膜，有利于金属锂电池循环性能的提升。
