
一、材料类型
材料的选择是决定锂离子电池循环性能的首要因素。如果所用材料本身循环性能不佳,即使工艺设计再合理、制造过程再精细,电芯的循环寿命也难以保证;反之,若选用了性能优异的材料,即便制造过程中存在一定瑕疵,循环性能通常也不会大幅下降。
从材料角度分析,整颗电池的循环性能主要由正极与电解液匹配后的表现,以及负极与电解液匹配后的表现两者中较差的一方决定,如果材料循环性能不理想,可能有以下原因:
1、循环过程中晶体结构变化过快,导致锂离子嵌入与脱出受阻;
2、活性物质与电解液无法形成均匀致密的SEI膜,使活性物质过早发生副反应,电解液被迅速消耗,从而影响循环寿命。
在电芯设计阶段,如果某一极选用的材料循环性能不佳,那么另一极再追求高循环性能材料的提升空间有限,这样反而可能造成资源浪费。
二、正负极压实
正负极的压实度虽然可以提升电芯的能量密度,但过高的压实往往会对循环性能产生负面影响。从理论上看,压实越大,相当于对材料结构施加了更大的应力,而材料的稳定结构是保证锂离子电池可持续循环的基础,此外,高压实度还可能导致电极的保液能力下降,而足够的保液量是确保电芯顺利完成多次循环的关键条件。
三、水分含量
电芯中水分过多,会与正负极活性物质发生副反应,破坏材料结构,从而降低循环性能。同时,高水分环境也不利于形成稳定的SEI膜。然而,对于难以完全去除的微量水分而言,它在一定程度上反而有助于维持电芯的整体性能平衡。
四、涂布面密度
单独分析涂布面密度对循环性能的影响几乎不可能,因为它会同时影响电芯的多项特性。面密度不均可能导致容量差异,或者影响电芯的卷绕/叠片层数。
对于同型号、同容量、同材料的电芯而言,降低面密度相当于增加卷绕或叠片层数,从而增加隔膜数量,这有助于吸收更多电解液,保证循环稳定性。
此外,更薄的面密度可以提升电芯倍率性能,并使极片及裸电芯的烘烤除水过程更容易。然而,过薄的面密度在涂布时可能难以精确控制,大颗粒活性物质也可能对涂布和滚压产生不利影响。
增加层数虽可改善循环,但会使用更多箔材和隔膜,带来更高成本及能量密度下降。因此,在设计与评估时,需要在循环性能、倍率性能、工艺可控性和成本之间进行综合平衡。
五、负极过量
负极的过量设计不仅关系到首次不可逆容量和涂布偏差,也直接影响循环性能。在钴酸锂/石墨体系中,负极石墨常成为循环的“瓶颈”,若负极过量不足,虽然前期电芯不易析锂,但经过多次循环后,正极结构变化不大,而负极可能损伤严重,无法完全吸收正极提供的锂离子,导致容量提前下降。
六、电解液量
电解液不足会影响电芯循环性能,主要原因包括:注液量不够、电极浸液不充分(如压实过高或老化时间不足)、以及循环过程中电解液被消耗;SEI膜不完整会导致负极与电解液发生副反应,同时缺陷部位在循环中不断修复,消耗可逆锂和电解液。因此,无论是循环数百次的高耐久电芯,还是循环次数少就性能下降的电芯,确保电解液充足都能在一定程度上改善循环性能。
七、测试的客观条件
电芯循环性能的测试结果会受到多种外部条件影响,如充放电倍率、截止电压与电流、过充过放情况、测试温度、测试中断,以及电芯与测试点的接触内阻等。此外,不同材料对这些条件的敏感性各异,因此,制定统一的测试标准,并了解常用材料的特性,通常即可满足日常测试需求。
就像“木桶原理”,电芯循环性能最终受最短板因素制约,而且各因素之间往往相互影响。在相同材料和制造水平下,更高的循环性能通常意味着能量密度下降。因此,关键在于找到满足客户需求的平衡点,同时保证电芯制成的一致性,这是提升循环性能的核心任务。