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锂电池是一种将电化学能与电能互相转换的电化学储能器件,通过锂离子与电子在电极材料中的注入与脱出实现能量的传递与互换。
伴随着锂离子与电子的传递,电池内部材料本征的物理化学参数如吉布斯自由能、费米面等会随之改变,反而在宏观电池参数上就是电池电压的变化以及电池容量的变化
钴酸锂充放电过程伴随着锂离子的脱出和嵌入,空间结构逐步发生变化。
当0.93≤x≤1,LixCoO2属于六方晶系(H-1相);0.75≤x<0.93时,六方晶系H-1相逐渐转变成六方晶系H-2相,两相比例随x的变化而变化;
0.5≤x<0.75时,LixCoO2属于六方晶系(H-2相);单相H-1和H-2都属于R-3m空间群,具有相同的对称性,但两相晶胞参数上有所不同,单相H-1通常偏向半导体电导特性,单相H-2通常偏向金属电导特性[2];
0.45≤x<0.5时,充电电压在4.2V左右,LixCoO2由六方晶系H-2转变为单斜晶系M,属于P12/m1空间群,
这一过程伴随着晶胞参数不规则变化,
导致这一现象的原因可能是锂离子和锂空位空间规律发生变化,
呈现出有序-无序-有序的变化规律,晶体参数的变化导致材料颗粒体积的变化,
LixCoO2由六方晶系H-2转变为单斜晶系M,材料晶胞沿c轴膨胀了2.3%[3];
0.28≤x<0.45时,单斜晶系M向第二个六方晶系O3转变,此相变的发生为后续高电压钴酸锂开发起到引导作用;
当x趋向于0时,第二个六方晶系O3逐渐转变为第二个单斜晶系O1转变,两相转变在4.5V附近,该相变沿c轴发生剧烈变化,膨胀了2.6%[3]
由于正极材料本身的局限性,高电压下过量脱锂导致层状结构不稳定,产生体相结构变化,伴随着相变和体积变化,
使得晶胞参数变化、晶界错位、应力变化、颗粒开裂,导致容量快速衰减;体相结构体积变化影响到表面结构变化,使得表面易产生裂纹,导致表面热稳定性减弱、金属溶解、析氧等;
表面结构的变化伴随着界面副反应及氧的转移,使得电解液氧化、内阻增加、产气、热稳定及安全性能下降等,导致一系列宏观电池失效行为。
在高电压下相变的可逆程度是决定钴酸锂应用的关键,而期望用单一的方法解决高压钴酸锂的问题是不现实的。
结合有效掺杂、共包覆、高压电解液及新功能隔膜配套使用来缓解钴酸锂电池内部失效,从而改善高压钴酸锂[3]。
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