锂电芯析锂不良原因及改善
锂析出（Lithium Plating）是指锂离子在负极表面发生还原反应，形成金属锂沉积的现象。这一过程不同于锂离子正常嵌入负极材料的层状结构，可以理解为部分锂原子未能及时嵌入，而被“滞留”在电极表面，逐渐形成金属枝晶。
以下从电芯设计、材料体系、制造工艺和使用条件四个维度，系统阐述锂析出的主要原因及改善策略。
一、电芯设计与材料体系
1. 负极冗余容量不足（N/P 比偏低）
- 原因：N/P 比（负极与正极容量比）过低（如＜1.1）时，负极无法完全容纳从正极脱出的锂离子，尤其在充电末期，多余锂离子易在表面沉积。
- 改善策略：
– 合理提高N/P比（如1.1–1.2或更高），为负极提供足够的容量冗余；
– 应用高容量负极材料（如硅碳复合材料），在有限体积/质量内提供更多储锂位点。
2. 电解液体系不匹配
- 原因：电解液组成（锂盐、溶剂、添加剂）影响离子电导率和SEI膜质量。若成膜不良或电导率低，易引起极化加剧，诱发析锂。
- 改善策略：
– 引入优良成膜添加剂（如FEC、VC），构建致密稳定的SEI膜，促进锂离子均匀嵌入；
– 优化锂盐与溶剂配比，提高电解液电导率，改善离子传输；
– 开发新型锂盐（如LiFSI），提升热稳定性和低温性能。
3. 负极材料动力学性能不足
- 原因：如石墨负极在低温或高倍率条件下嵌锂速度慢，锂离子未及时嵌入便发生表面沉积。
- 改善策略：
– 对石墨进行表面修饰（包覆、氧化、掺杂），增强离子电导与嵌锂动力学；
– 开发并应用快充型负极材料（如钛酸锂），该类材料结构稳定、离子扩散快，可显著抑制析锂，但需注意其电压平台较高、能量密度较低的特点。
二、制造工艺
1. 极片面密度不均匀
- 原因：涂布不均导致局部面密度偏低，该区域电流密度过高，锂离子集中嵌入困难，引发析锂。
- 改善策略：
– 提高涂布工艺一致性，严格控制面密度与压实密度波动；
– 引入在线监测手段（如X射线、β射线检测），实时筛选不合格极片。
2. 电解液浸润不充分
- 原因：注液或老化工艺不当，电解液未能充分渗透极片和隔膜，离子传输阻力大，局部极化加剧。
- 改善策略：
– 优化浸润条件，如采用真空注液、多段老化、温控浸润等；
– 在能量密度与成本间平衡，设计合理的电解液保有量。
3. 辊压工艺过强
- 原因：过量辊压虽可提升能量密度，但会破坏石墨结构、降低孔隙率，阻碍锂离子传输，并可能损伤已有SEI膜。
- 改善策略：
– 优化辊压参数，平衡压实密度与电极动力学性能，保持适宜孔隙结构。
三、使用条件
1. 低温充电
- 原因：低温下电解液粘度升高、电导下降，同时负极嵌锂动力学显著变慢，析锂倾向大幅增加。
- 改善策略：
– 通过BMS实行温度感知充电控制，低温环境下限制充电电流或禁止充电；
– 配套预热装置，使电池在适宜温度区间（如10–25°C）进行充电。
2. 高倍率充电
- 原因：大电流导致锂离子短时间内大量涌至负极，超过其嵌入速率上限，造成表面堆积。
- 改善策略：
– 设计智能充电协议（如多段CC-CV、脉冲充电），在高压段降流缓充；
– 从根本上提升负极材料快充性能与电解液传导能力。
3. 过充
- 原因：电压超过设计上限，正极过量脱锂，远超出负极容纳能力，必然引发严重析锂。
- 改善策略：
– 强化BMS对电压的实时监控与保护，坚决防止过充。
如何判断是否发生锂析出？
– 拆解观察：循环后负极表面出现灰白色金属光泽区域（正常为铜金色或黑色）；
– 电性能衰减：容量快速衰退，内阻明显上升；
– 微分容量（dV/dQ）分析：充放电曲线异常，出现非特征峰或平台；
– 静电压回落后特征：低温充电后电压弛豫曲线出现平台是典型析锂信号。
锂析出通常是多因素共同作用的结果，需从材料设计、工艺制造和使用管理三方面系统施策，综合防治。
超声波分散锂电池浆料
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