严酷环境条件下锂离子电池及其关键材料的失效机制研究

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锂离子电池作为一种清洁且可再生的能源装置,从其开发至今,已经有了长足的进展,并且随着各类以锂离子电池为动力的仪器设备等器件的迅猛发展,人们对锂离子电池的高能、高效和安全性的要求也越来越高。然而,过去研究者们的主要精力都集中在开发更高性能材料上,却较少去关心电池的失效问题。而作为一种复杂的能量储存装置,锂离子电池本身存在许多会危及人类安全的隐患。因此,探寻锂离子电池在各种环境下的失效情况是非常有必要的。基于此,本文于高温下对锂离子电池的电化学行为,材料的界面行为及晶体结构进行研究、测试及分析。获取在高温情况下电池的失效机制,为将来高温下的锂离子电池失效机制的研究提供一定的帮助。第一部分采用CR2032扣式电池组装钴酸锂和石墨半电池,了解所获得材料的基本性能,之后装配钴酸锂/石墨全电池测试80°C下其电化学性能。与常温下的电化学性能对比,发现高温下电池容量衰减很快。通过测试,我们推测造成80°C下电池失效的原因与电池的电极材料和界面膜有关。在第二部分,我们通过第一部分的分析,有针对性的研究了80°C下正极钴酸锂和负极石墨的晶体结构及界面膜的变化。通过与常温对比发现正极钴酸锂晶胞体积随循环增大,材料结构的变化使得锂离子的嵌入和脱出更加困难。然而负极石墨的晶体结构在高温下变化不大。扫描电镜和X射线光电子能谱(XPS)则表明正极表面固体电解质界面膜的增厚,造成电池扩散电阻增大,最终导致不可逆容量损失。负极则通过扫描电镜及透射电镜便可直接观察出固体电解质界面膜的开裂,增厚,这同样导致电池容量衰减。从整个实验结果来看,80°C下钴酸锂/石墨全电池的失效原因包括但不限于正、负极材料晶体结构以及正、负极界面膜的变化。且我们通过与常温下的钴酸锂/石墨电池的电化学性能,材料的形貌,晶体结构等方面进行对比,分析80°C高温对锂离子电池造成的影响,得到的结果与数据可以为未来的研究提供参考。有助于开发出安全性更高,应用面更广的下一代锂离子电池。
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