關于鋰電池電極機械性能裂化問題研究

鋰電池極片的機械穩定性也是影響電池電化學性能、循環穩定性和安全性等的緊要因素。

而電池中極片機械性能存在各種裂化現象，常見的機械性能裂化如上圖綜述所示，包括：

（1）正、負極電極材料顆粒裂紋；

（2）活性物質顆粒內部晶間破裂；

（3）正極表層分層失效；

（4）負極表面SEI破碎；

（5）正極活性物質相分離；

（6）鋰金屬等負極表面枝晶。

裂紋

電池在實際的使用過程中，活性顆粒經常經歷許多的不可逆的物理化學和機械過程，比如局部過度充放電，表面結構崩塌，不平均電極/電解液界面，金屬溶解/沉淀，體積膨脹/收縮，局部溫度波動等。這些副反應之間的相互用途會導致活性顆粒內部機械或熱應力、電化學應力的累積，并進一步可誘發裂縫的出現。這種裂紋緊要在應力聚集以及顆粒薄弱點出現，比如顆粒表面，SEI膜，晶界等。

特別像硅基負極，在充電/放電周期內插入和脫出鋰時，體積變化達到270%，這個巨大的體積膨脹會導致硅顆粒的粉碎，以及涂層從銅集流體中分離。特別是，SEI膜會發生繼續的斷裂再生成過程，不斷消耗鋰離子和活性物質，造成容量繼續衰減，循環穩定性變差。

而顆粒內部出現的裂縫會導致顆粒之間接觸變差，顆粒完整性破壞，電子和離子傳輸路徑都會發生變化，導致擴散受限。結果聲明，電子和離子在固相的擴散長度伴隨著裂縫的出現而增大。這又會進一步影響電化學反應，可能造成充放電局部不平均，引起顆粒的二次裂紋。

表面結構變化與相分離

充放電過程中，電化學反應在電極表面發生，鋰離子從表面脫出或嵌入，多次循環之后活性顆粒表面會出現了十分顯著的相變，鋰離子脫出后可能伴隨金屬溶出，材料層狀結構會變成鹽巖相結構，并且這種相結構演化向顆粒內部擴展，形成內部相分離。

枝晶

在鋰電池的充電過程中，負極電位不斷變負，在一定條件下會引起金屬鋰在負極表面沉積的副反應。金屬鋰繼續存在負極的表面，不僅會影響鋰電池的容量，還有可能會出現危害鋰電池安全的鋰枝晶。金屬鋰做負極時，枝晶更加嚴重，負極保護戒備鋰枝晶成為金屬鋰電池的研究熱點。

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