鋰電池的鋰枝晶形成原理和解決辦法

鋰電池的鋰枝晶形成會(huì)導(dǎo)致鋰離子損耗，進(jìn)而降低鋰離子電池容量，主要原因是鋰元素（化合物和離子）的不可逆損失，即形成了不可逆的鋰化合物或者鋰金屬。不可逆的鋰化合物是形成SEI膜的主要成分之一，而不可逆的鋰金屬主要是形成了枝晶鋰和死鋰。那么鋰電池的鋰枝晶形成原理和解決辦法是什么呢？怎么理解鋰枝晶更容易一些呢？

1、鋰枝晶是怎樣形成的？

2、鋰枝晶的特點(diǎn)是什么？

3、影響鋰枝晶的因素？

4、怎樣避免鋰枝晶的形成？

1、鋰電池的鋰枝晶是怎樣形成的

鋰枝晶的生長(zhǎng)機(jī)理涉及電化學(xué)、晶體學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域，十分復(fù)雜，因此至今沒(méi)有一種普適性的枝晶生長(zhǎng)理論。

電池中的鋰枝晶問(wèn)題與電化學(xué)工業(yè)上的電鍍生產(chǎn)類(lèi)似，如電鍍Cu、Ni和Zn等，同樣面臨金屬的枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。因而,電鍍過(guò)程中積攢的經(jīng)驗(yàn)，能夠作為了解鋰技晶生長(zhǎng)的借鑒。之前的經(jīng)驗(yàn)表明，在電鍍過(guò)程中，電解液中存在一個(gè)陽(yáng)離子濃度梯度，受限于鋰離子的擴(kuò)散速度，當(dāng)電流密度迗到一個(gè)特定值時(shí)，電流只能維持一段時(shí)間被稱(chēng)之為沙灘時(shí)間，之后陽(yáng)離子在靠近沉積電極一側(cè)的電解液中耗費(fèi)殆盡，這樣就會(huì)打破沉積電極表面電中性平衡，形成一個(gè)局部空間電荷，從而導(dǎo)致電鍍時(shí)產(chǎn)生枝晶。
借助電鍍經(jīng)驗(yàn)和前人研究，M.Rosso等人在考慮了沉積速率、離子濃度、電流密度、過(guò)電位和表面張力對(duì)嵌入和離子沉積過(guò)程的影響，提出一個(gè)關(guān)于鋰枝晶的Monroe-Newman模型

2、談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

式中:e為基本電荷單位;Co為初始濃度;D為擴(kuò)散常數(shù);J為電流密度;μc為陽(yáng)離子濃度;μa為陰離子濃度。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)J2增大時(shí)，τcc變小。

另外也有一些理論認(rèn)為，由于金屬鋰負(fù)極表面凹凸不平，存在許多突起，導(dǎo)致突起處的電子電荷分布變多，導(dǎo)致更多的Li+被吸引而發(fā)生沉積形成鋰枝晶。

總之，鋰枝晶的生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜電化學(xué)問(wèn)題，涉及到許多因素,因此很難用單一的模型或者理論來(lái)描述。但是，對(duì)于鋰枝晶成核與生長(zhǎng)的理論模型的研究與探索仍然在繼續(xù)。

3、鋰枝晶的特點(diǎn)是什么

鋰枝晶在不同的電池環(huán)境、不同的時(shí)刻所呈現(xiàn)的形貌有所不同，如苔蘚狀鋰、絲狀鋰、針尖狀鋰、晶須狀鋰、灌木狀鋰、樹(shù)枝狀鋰等。由于各研究者對(duì)其描述各異，導(dǎo)致了這種名稱(chēng)多樣化的現(xiàn)象?？珊?jiǎn)要分為3類(lèi)：①無(wú)分叉，單根生長(zhǎng)，如絲狀鋰、針尖狀鋰、晶須狀鋰；②團(tuán)簇狀，生長(zhǎng)時(shí)類(lèi)似于面團(tuán)的發(fā)酵過(guò)程，如苔蘚狀鋰、灌木狀鋰；③可見(jiàn)明顯分叉結(jié)構(gòu)，枝干稀疏，為最危險(xiǎn)的枝晶結(jié)構(gòu)，易刺破隔膜，如樹(shù)枝狀鋰。

4、談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

枝晶的產(chǎn)生可分為3個(gè)階段

鋰枝晶的初始形核與生長(zhǎng)過(guò)程枝晶的產(chǎn)生可分為3個(gè)階段。

第一階段，電池組裝后，由于金屬鋰的高度活潑性，在接觸到電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑等組分時(shí)能發(fā)生瞬時(shí)反應(yīng)，形成SEI膜，即SEI膜的形成早于枝晶的產(chǎn)生。致密的SEI膜可以阻止電解液與金屬鋰發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，是一種良好的離子導(dǎo)體，但卻是電子絕緣體。Li+可以穿過(guò)這層SEI膜在電極表面沉積，但由于鋰、電解質(zhì)、SEI膜的本身特性和充放電條件影響導(dǎo)致其沉積分布不均勻。

第二階段，形核階段，即不均勻沉淀的持續(xù)累積，導(dǎo)致某些地方凸起，直至頂破原始SEI膜。

最后進(jìn)入生長(zhǎng)階段，刺破原始SEI膜后繼續(xù)在長(zhǎng)度方向上生長(zhǎng)，成為可見(jiàn)的枝晶。同時(shí)，SEI膜也隨著金屬鋰枝晶的生長(zhǎng)而持續(xù)不斷地反應(yīng)增生，但始終包覆在金屬鋰表面。

一般來(lái)說(shuō)，枝晶的數(shù)量主要由形核階段決定，而枝晶的形貌則主要由生長(zhǎng)階段決定。

談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

鋰枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程原位電鏡觀察

鋰枝晶是怎樣形成的

根據(jù)Monroe-Newman模型和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，人們總結(jié)的容易發(fā)生析鋰的原因有：

1過(guò)充電時(shí)，負(fù)極鋰已飽和，多余的鋰已金屬析出

2在負(fù)極漏銅箔的地方，由于極化小，易鋰合金化，易析鋰

3大電流充電，負(fù)極表面鋰來(lái)不及向內(nèi)部擴(kuò)散，在電極表面析出

4電極邊緣，尤其是電極對(duì)齊時(shí)，受邊緣效應(yīng)影響，電流密度大，負(fù)極易析鋰

另外，正負(fù)極冗余度設(shè)計(jì)不足，電池低溫充電、正負(fù)極片間有氣體接觸不好、負(fù)極電解液浸潤(rùn)不好，SEI膜、電解液的種類(lèi)、溶質(zhì)濃度、正負(fù)極之間有效距離等等等因素都可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)極析鋰。

1.正負(fù)極表面不均勻

正負(fù)極表面不均勻的原因有很多，比如：涂布不均勻，正極涂布偏重或者負(fù)極涂布偏輕，活性物質(zhì)混入雜質(zhì)、正極或負(fù)極頭部超厚等等。

正負(fù)極表面的粗糙度影響枝晶鋰的形成表面越粗糙越有利于形成枝晶鋰，枝晶鋰的形成涉及電化學(xué)、晶體學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等四大塊的內(nèi)容，DavidR.Ely的文章中有詳細(xì)的描述。

談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

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2.鋰離子濃度梯度及分布

鋰離子從正極材料中脫出后，穿過(guò)電解液和隔膜，在負(fù)極接受電子。在充電過(guò)程中，正極的鋰離子濃度逐漸增加，負(fù)極的鋰離子濃度則因?yàn)椴粩嘟邮茈娮佣鴾p少，在電流密度大的稀溶液中，離子濃度會(huì)變?yōu)?，Monroe-Newman模型表明當(dāng)離子濃度降低到0時(shí)，負(fù)極將形成局部空間電荷，并形成枝晶結(jié)構(gòu)，枝晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)速度和電解液中離子偏移速率相同。

談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

自修復(fù)靜電場(chǎng)理論，金屬陽(yáng)離子會(huì)吸附在凸起處形成正的電場(chǎng)，從而排斥同電荷的鋰離子，減少凸起

3.電流密度

談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

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怎樣避免鋰枝晶的形成

根據(jù)枝晶鋰的形成及影響因素，可以從以下幾方面來(lái)避免枝晶鋰的形成：

1.控制正負(fù)極集流體涂布后的平整度。

因?yàn)橹耙呀?jīng)講述過(guò)，這里不再贅述了。

2.負(fù)極顆粒的尺寸要小于臨界熱力學(xué)半徑。

在鋰枝晶生長(zhǎng)過(guò)程形成鋰核，存在一熱力學(xué)臨界半徑raq與一動(dòng)力學(xué)臨界半徑rk：

談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

式中，為鋰-電解質(zhì)界面的表面能，Ω為鋰的摩爾體積，z為電荷數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，Gf為摩爾體積轉(zhuǎn)化自由能。鋰枝晶生長(zhǎng)，首先必須克服熱力學(xué)臨界半徑，才有足夠的能量形核。其次，單個(gè)晶核只有大于動(dòng)力學(xué)臨界半徑才能夠生長(zhǎng)，否則該晶核就會(huì)逐步消亡。

3.添加穩(wěn)定負(fù)極-電解液界面的電解液添加劑

添加劑在鋰負(fù)極表面分解、聚合或者吸附，作為反應(yīng)物參與SEI膜的生成以改變SEI膜的組成與結(jié)構(gòu)，修飾SEI的物理化學(xué)性能，另外也可以做為表面活性劑改變鋰負(fù)極表面的反應(yīng)活性，調(diào)節(jié)鋰沉積過(guò)程中的電流分布，均勻鋰沉積。添加劑在電解液中甚至有ppm水平就可以起到改善鋰沉積形貌和循環(huán)效率的效果。因此，使用電解液添加劑對(duì)鋰負(fù)極改性，是最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)便的方法。

4.替換液體電解質(zhì)為高強(qiáng)度凝膠/固體電解質(zhì)

固態(tài)電解質(zhì)則具有較高的模量，可以阻止鋰枝晶的生長(zhǎng)和蔓延，鋰枝晶很難穿刺電解質(zhì)導(dǎo)通正負(fù)極，安全性得以大大提高，因而被認(rèn)為是鋰金屬電池最優(yōu)的選擇。

談一談鋰枝晶的形成機(jī)理和預(yù)防

5.建立高強(qiáng)度鋰負(fù)極表面保護(hù)層

無(wú)機(jī)陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的模量一般很高，可以阻止鋰枝晶的生長(zhǎng)和蔓延，但是值得注意的是模量高的無(wú)機(jī)陶瓷，意味著其接觸性較差，會(huì)導(dǎo)致和電極接觸不良，界面電阻過(guò)大。因此在選擇無(wú)機(jī)陶瓷材料時(shí)，必須在高模量和表面接觸之間取得一個(gè)平衡。