Warum kann die höchste Spannung eines Lithium-Ionen-Akkus nicht 4,2 V durchbrechen?

Der Parameter zur Beschreibung der energiespeichergröße der Lithium-Ionen-Batterie ist die Energiedichte, die in numerischen Werten ungefähr dem Produkt aus Spannung und Lithium-Batterie-Kapazität entspricht. Um die Speicherkapazität der Lithiumbatterie effektiv zu verbessern, wird im Allgemeinen die Batteriekapazität erhöht, um den Zweck zu erreichen. Aufgrund der Art der verwendeten Rohstoffe ist die Kapazitätserhöhung jedoch immer begrenzt, sodass die Erhöhung des Spannungswerts eine weitere Möglichkeit darstellt, die Kapazität des Lithiumbatteriespeichers zu verbessern. Wie Sie wissen, beträgt die Nennspannung der Lithiumbatterie 3,6 V oder 3,7 V und die maximale Spannung 4,2 V. Warum erreicht die Spannung von Lithiumbatterien keinen größeren Durchbruch? Letztendlich wird dies auch durch die Material- und Struktureigenschaften von Lithiumbatterien bestimmt.

Die Spannung einer Lithiumbatterie wird durch das Elektrodenpotential bestimmt. Die Spannung, auch als Potentialdifferenz oder Potentialdifferenz bezeichnet, ist eine physikalische Größe, die die Energiedifferenz der Ladung im elektrostatischen Feld aufgrund des unterschiedlichen Potentials misst. Das Elektrodenpotential von Lithiumionen beträgt etwa 3 V, und die Spannung der Lithiumbatterie variiert je nach Material. Beispielsweise beträgt die Nennspannung allgemeiner lithium-ionen-batterien 3,7 V und die volle Spannung 4,2 V. Die Nennspannung der lithiumeisenphosphatbatterie beträgt 3,2 V und die volle Spannung 3,65 V. Mit anderen Worten, die Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode einer praktischen Lithiumionenbatterie darf 4,2 V nicht überschreiten, was eine Anforderung ist, die auf dem Material und der Sicherheit der Verwendung basiert.

Wenn Li / Li + elektrisches Polreferenzpotential, mu A als negatives Material relatives elektrochemisches Potential, mu C als positives Material relatives elektrochemisches Potential, Elektrolytpotentialintervall Eg ist die Differenz zwischen dem niedrigsten elektronenbesetzten Niveau und dem höchsten elektronenbesetzten Niveau. Die maximale Spannung der Lithiumbatterie sind also die drei Faktoren: mu A, mu C, mu z.

Der Unterschied zwischen Glimmer und Mikrofon ist die Leerlaufspannung (maximale Spannung) der Li-Ionen-Batterie. Wenn die Spannung im zB Bereich liegt, kann der Elektrolyt normal arbeiten. "Normalbetrieb" bedeutet, dass sich die Lithiumionenbatterie zwischen positiven und negativen Elektroden durch den Elektrolyten hin und her bewegt, sich jedoch nicht mit dem Elektrolyten REDOX, um die Stabilität der Batteriestruktur sicherzustellen. Das elektrochemische Potential von Anoden- und Kathodenmaterialien führt zu einem abnormalen Elektrolytbetrieb in zwei Formen:

1. Wenn das elektrochemische Potential der negativen Elektrode höher ist als das niedrigste elektronenbesetzte Energieniveau des Elektrolyten, werden die Elektronen der negativen Elektrode vom Elektrolyten aufgenommen, so dass der Elektrolyt oxidiert wird und das Reaktionsprodukt ein " feste flüssige Grenzflächenschicht "auf der Partikeloberfläche des negativen Elektrodenmaterials, was zur Zerstörung der negativen Elektrode führen kann.

2. Wenn das elektrochemische Potential der positiven Elektrode niedriger ist als das höchste elektronenbesetzte Energieniveau des Elektrolyten, werden die Elektronen im Elektrolyten von der positiven Elektrode eingefangen, die vom Elektrolyten mit Sauerstoff angereichert wird, und die Reaktionsprodukte bilden sich eine "Fest-Flüssig-Grenzflächenschicht" auf der Partikeloberfläche des positiven Elektrodenmaterials, die zur Zerstörung der positiven Elektrode führen kann.

Die Möglichkeit, dass die positive oder negative Elektrode beschädigt wird, verhindert jedoch, dass sich die Elektronen aufgrund des Vorhandenseins der Fest-Flüssig-Grenzflächenschicht, die stattdessen das Elektrodenmaterial schützt, weiter zwischen dem Elektrolyten und der positiven und negativen Elektrode bewegen. Mit anderen Worten ist die leichte Fest-Flüssig-Grenzflächenschicht "schützend". Die Schutzvoraussetzung ist, dass das elektrochemische Potential der positiven und negativen Elektroden den Eg-Bereich geringfügig überschreiten kann, jedoch nicht zu viel. Beispielsweise verwenden die Anodenmaterialien für Lithiumionenbatterien hauptsächlich Graphit, da der Graphit relativ zum elektrochemischen Potential der Li / Li + -Elektrode etwa 0,2 V beträgt, etwas jenseits des Eg-Intervalls (1 V ~ 4,5 V). aber wegen der "schützenden" "Fest-Flüssig-Grenzflächenschicht" wird der Elektrolyt nicht weiter reduziert, um die Entwicklung der Polarisationsreaktion zu stoppen. Das 5-V-Hochspannungsanodenmaterial überschreitet jedoch den Eg-Bereich kommerzieller organischer Elektrolyte zu sehr, so dass es beim Laden und Entladen leicht oxidiert werden kann. Mit zunehmender Anzahl von Lade- und Entladevorgängen nimmt die Kapazität ab und die Lebensdauer ab.

Verstehen Sie nun, dass die Leerlaufspannung der Lithium-Ionen-Batterie als 4,2 V gewählt wurde, da der vorhandene handelsübliche Lithium-Batterie-Elektrolyt zB im Bereich von 1 V bis 4,5 V liegt, wenn möglicherweise die Leerlaufspannung der 4,5 V-Lithiumbatterie-Ausgangsleistung eingestellt werden kann , aber auch das Risiko einer Überladung der Batterie erhöhen, und der Schaden der Überladung erhebliche Daten haben gezeigt, dass es nicht mehr mehr zu sagen gibt.

Gemäß den obigen Prinzipien gibt es nur zwei Möglichkeiten für Menschen, die Energiedichte von Lithiumbatterien durch Erhöhen des Spannungswerts zu verbessern. Eine besteht darin, einen Elektrolyten zu finden, der dem positiven Elektrodenmaterial mit dem Hochspannungswert entsprechen kann; Die andere Möglichkeit besteht darin, die Batterie an der Oberfläche zu schützen.