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【新嘉拓】技術幫 ┃ Li-ion全電池首次效率,你真懂了嗎?——深入解讀首次效率(二)

引言

在上文半電池篇中,小編向大家介紹了正負極材料半電池産生首次效率的原因。其實說到底,首次效率屬于容量損失的一種,當同時擁有首次效率的正負極材料組成了全電池,其首次效率又會是什麼樣子呢?首次效率對全電池的影響有多少?又是否有提升的方法?這些就是本文要介紹的内容。

談全電池首次效率,先要從其測試方法說起。電池注液後,需要經過化成和分容這兩個有充放電的工序,一般而言,化成以及分容第一步都是充電過程,二者容量加和,就是全電池首次充入容量;分容工步的第二步一般是從滿電狀态放電至空電,因此此步容量為全電池的放電容量。将二者結合起來,就得到了全電池首次效率的算法:

全電池首次效率=分容第二步放電容量/(化成充入容量+分容第一步充入容量)

下面列出了一款全電池的首次充放電曲線:

了解完測試方法後,我們再來看看全電池首次效率是由什麼決定的。為了弄清這個問題,我們首先來假設一款這樣的全電池:電池正極使用了首次效率為88%的三元材料,而負極使用了首次效率為92%的石墨材料。對這款全電池而言,首次效率會是多少呢?

為了更形象的向大家解釋這個問題,我們借用下面的圖畫來進行說明:


經過上面流程我們發現,原本100個正極活性锂離子在經曆首次充放電之後,隻有88個可以繼續循環使用。損失掉12個锂離子的原因,分别為負極首效損失了8個,以及正極首效造成嵌锂空間不夠、4個锂離子留在負極無法回到正極。

結論現在就顯而易見了:當正極首效為88%、負極首效為92%時,全電池的首效為88%,與較低的正極相等。而當負極首效更低時,例如钴酸锂正極對石墨負極,全電池首效又與首效更低的負極相等,由于畫QQ笑臉太占篇幅,小編就不列出具體的過程了。

知識窗口

全電池的首次效率與正負極材料首次效率較低者相等。

對全電池而言,首次效率的形成因素還與首次充放電的副反應以及首次充放電的電壓範圍不同(充電0V起,放電則2.5~3.0V終結)有關。但這些因素并不會對上面的結論造成明顯影響。

在上一篇中,小編向大家介紹了不同種類材料的首次效率數值,那麼除了材料種類的影響外,還有哪些因素會影響全電池的首次效率呢?

首先是石墨負極比表面積的影響,當石墨負極比表面積更大時,形成SEI膜的面積也就會越大,從而會消耗更多的锂離子,并降低全電池首次效率(前提為負極首次效率比正極低)。下面是钴酸锂-石墨全電池首次效率随石墨比表面積的變化圖:

另外一個首次效率的影響因素為化成充電制度。當化成形成的SEI膜更薄且更緻密時,就可以降低這一過程對锂離子的消耗,并提升首次效率。為了保證SEI膜的形成效果,化成充入容量是一個重要的考量因素,下面是不同化成充入容量時的首次效率對比圖(數據結果也會受材料體系、化成工藝的影響,并非絕對):

除此之外,過大的負極過量就需要形成更多的SEI膜,因此也會在一定程度上降低首次效率。電解液中加入PC溶劑,雖然會加寬锂離子電池的工作溫度窗口,但是如果沒有對應的成膜添加對來對負極進行保護,就容易造成PC對石墨負極的剝離,并降低全電池的首次效率。

接下來對本文進行一個總結吧,首先小編向大家介紹了全電池首次效率的計算方法,為分容放電容量/(化成充入容量+分容第一步充入容量)。另外我們知道了全電池首效的決定因素:全電池首效等于正負極首效的更低者。最後介紹了幾種全電池首效的影響因素。

結語

為了提升産品容量,我們一定是希望全電池首效越高越好,那麼是否可以靠上面文章所提到的幾種首次效率影響因素,就顯著提高全電池的首次效率呢?答案是否定的,上面的幾項改善措施,要麼效果微乎其微,要麼就是會造成其它負面影響,總之都不是提高首次效率的有效方法。

那切實可行的提高首次效率的方法是什麼呢?答案就在本系列的終篇——預锂化篇。大家一起期待吧~~

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