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為何鋰電池的最大電壓不能超過4.2v?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年11月15日  

為何鋰離子電池的最大電壓不能超過4.2v?


能量密度是描述鋰離子電池儲能大小的參數(shù),它近似等于電壓與鋰離子電池容量的乘積。為了有效提高鋰離子電池的存儲容量,人們通常采用新增電池容量的方法來達到這一目的。然而,由于所使用材料的性質(zhì),容量的新增總是有限的,所以新增電壓值成為提高鋰離子電池存儲容量的另一種方式。如你所知,鋰離子電池的額定電壓為3.6v或3.7v,最大電壓為4.2v。那么,為何鋰離子電池不能取得更大的突破呢?最終,這也是由鋰離子電池的材料和結(jié)構(gòu)特性決定的。


鋰離子電池的電壓是由電極電位決定的。電壓,又稱電位差或電位差,是測量靜電場中不同電位引起的能量差的物理量。鋰離子的電極電位約為3V,鋰離子電池的電壓隨材料的不同而不同。例如,一般鋰離子電池額定電壓為3.7V,滿壓為4.2V;磷酸鐵鋰離子電池的額定電壓為3.2v,滿電壓為3.65v。換句話說,實際鋰離子電池的正極和負極之間的電位差不能超過4.2v,這是基于材料和安全性的要求。


取Li/Li+的參考電位,設(shè)A為陰極材料的相對電化學電位,C為陽極材料的相對電化學電位。電解質(zhì)電位區(qū)間Eg是電解質(zhì)的最低電子未占據(jù)能級與最高電子占據(jù)能級之差。因此,鋰離子電池的最高電壓值由三個因素決定:A、C、Eg。


相A與相C的差別是鋰離子電池的開路電壓(最大電壓),當在Eg范圍內(nèi)時,保證了電解液的正常工作。正常工作是指鋰離子電池通過電解液在正負電極之間來回移動,但不與電解液發(fā)生氧化還原,以保證電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。正極和負極材料的電化學電位導致電解液以兩種形式異常工作:


1.當負極的電化學勢高于最低electron-free電解質(zhì)的能級,負電極的電子將會被電解液,電解液會氧化,反應(yīng)產(chǎn)物將形成一個固液界面層的粒子表面的負電極,這可能導致負電極的毀滅。


2.當正極的電化學電位低于電解液的最高電子占據(jù)水平時,電解液中的電子會被正極捕獲,并被電解液氧化。反應(yīng)產(chǎn)物在正電極顆粒表面形成固液界面層,可能導致正電極的破壞。


然而,正極或負極破壞的可能性阻止了電子在電解質(zhì)和正極或負極之間進一步移動,并保護了電極材料。換句話說,較輕的固液界面層具有保護用途。這種保護的前提是陽極和陰極的電化學電位可以略大于Eg區(qū)間,但不會太大。現(xiàn)在,例如,鋰離子電池負極材料大多是使用石墨,是由于石墨相關(guān)于李/李+電極的電化學勢約為0.2V,稍微超出了如間隔(1V~4.5V),但由于保護固液界面層,使電解質(zhì)不會進一步減少,停止極化反應(yīng)的發(fā)展。但5V高壓陰極材料超出了商用有機電解質(zhì)的Eg區(qū)間,在充放電過程中容易被氧化。隨著充放電次數(shù)的新增,容量減小,使用壽命縮短。


現(xiàn)在了解到鋰離子電池的開路電壓被選為4.2V,因為現(xiàn)有的商用鋰離子電池電解質(zhì)如范圍從1V4.5V,假如能夠設(shè)置的開路電壓4.5V鋰離子電池輸出功率,還新增電池過度充電的風險和超載的危害相當大的數(shù)據(jù)顯示


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