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描述锂离子电池储能容量的参数是其能量密度,其数值约等于电压与锂电池容量的乘积,为了有效提高锂电池的容量,人们通常会采用增大电池容量的方法来达到目的。但由于原材料使用的特殊性,容量提升总是有限度的,因此提高电压值就成了提高锂电池储能能力的另一个途径。众所周知,锂电池的额定电压为3.6 V或3.7 V,高电压为4.2 V。所以为什么锂电池的电压什麽也不会有更大的突破?终,这也取决于锂电池的材料和结构特性。

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锂电池的电压取决于电极电势。电压又称电位差或电位差,是一种物理量,用来测量静电场中由电位不同引起的电荷能量差异。锂盐的电极电势约为3 V,锂电池的电压随材料的不同而不同。例如普通锂电池的额定电压3.7 V,满电电压4.2 V;磷酸铁锂电池的额定电压3.2 V,满电电压3.65 V。换言之,锂电池正、负极之间的电势差不得超过4.2 V,这是基于对材料和使用安全的需求。

假定 Li/Li+电极是参照电位,设μ A为负极材料的相对电化势,μ C为正极材料的相对电化势, Eg为电解液中小电子不占有能级,而大电子占有能级之差。因此,μ A,μ C, Eg这三个因素决定了锂电池的高电压值。




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微米 A和微米 C的差分是锂电池的开路电压(高电压值),当该电压值在电池组 Eg范围内时,可保证电池组正常工作。锂电池的“正常工作”意味着:锂电池通过电解液在正负极之间来回移动,而不与电解液发生氧化还原反应,从而保证了电池结构的稳定性。正、负极材料的电化学势使电解液工作异常,表现为两种形式:

当负极的电化势高于电解液中低电子不占有能级时,负极的电子就会被电解液中的电子夺走,从而使电解液被氧化,反应产物在负极材料颗粒表面形成“液界面”,从而造成负极材料的破坏。

当正极材料的电化势低于电解液高电子占能级时,电解液中的电子就会被正极所夺走,从而被电解液氧化,反应产物就会在正极材料颗粒的表面形成一层“固液界面层”,从而使正极材料受到破坏。

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但这种正极或负极被破坏的可能性,却由于“固液界面层”的存在,使电子不能在电解液和负极之间进一步移动,相反,却保护了电极材料,也就是说,程度较轻的“固液界面层”具有“保护性”。这一保护的前提是:正、负极电化学势可以轻微地超出电荷的范围,但不能过大。例如,目前锂电池负极材料大多选择石墨,是因为石墨与锂离子电极相比,其电化学势大约在0.2 V左右,稍高于电解液的 Eg范围(1 V~4.5 V),但由于存在“保护性”的“固液界面层”,电解液无法进一步还原,从而阻止了极化反应的继续发展。然而,5 V高压正极材料的电位超过了现有商业有机电解液的电位范围,因此在充放电过程中极易被氧化,随着充放电次数增加,电容降低,寿命缩短。


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