本文將探究與鋰電極材料相關(guān)的“態(tài)極”現(xiàn)象。態(tài)極是指鋰離子電池在使用過程中出現(xiàn)的一種不可逆反應(yīng)，導(dǎo)致電池性能下降。通過深入研究鋰電極材料，可以更好地理解態(tài)極現(xiàn)象及其影響，為電池性能改進(jìn)提供思路和實(shí)踐依據(jù)。

(資料圖)

鋰離子電池

鋰離子電池是目前最常用的可充電電池之一，具有高能量密度、長循環(huán)壽命和較低的自放電率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)包括正極、負(fù)極和電解質(zhì)。其中，鋰電極材料是影響鋰離子電池性能和安全的關(guān)鍵因素之一。

常見的鋰電極材料包括鋰鈷酸酐（LCO）、鋰鐵磷酸（LFP）、三元材料等。這些材料的物理化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性能不同，適用于不同的電池應(yīng)用。

例如，LCO具有高比容量和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品。而LFP由于其較高的安全性和耐高溫性，適合用于電動(dòng)汽車等高安全性要求的應(yīng)用場景。

什么是態(tài)極？

鋰離子電池在使用過程中會(huì)出現(xiàn)一種不可逆反應(yīng)，稱為“態(tài)極”（solid electrolyte interface，SEI）。這是由于鋰離子在電極上的嵌入和脫出過程中，與電解質(zhì)和電極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層薄的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），包裹住電極顆粒。SEI膜具有高電阻和低離子傳導(dǎo)性，阻礙鋰離子的傳輸和電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池性能下降。

通常來說，鋰離子電池在初次使用時(shí)，因?yàn)镾EI的形成不完整，電池性能會(huì)有所提升。但是隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，SEI會(huì)不斷積累和加厚，大大降低電池的容量、循環(huán)壽命和安全性能。

因此，降低SEI的生成和改善SEI性質(zhì)是提高鋰離子電池容量和循環(huán)壽命的重要途徑。

如何改善SEI質(zhì)量？

針對(duì)SEI的不良影響，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直在探索降低SEI的生成和改善其性質(zhì)的方法。

一種改善SEI質(zhì)量的方法是添加特定的添加劑。例如，一些功能化電解質(zhì)比傳統(tǒng)的碳酸酯電解質(zhì)具有更低的還原電壓，可以減輕SEI的形成和加厚。此外，一些熔鹽電解質(zhì)、離子液體電解質(zhì)等也可以改善電極和電解質(zhì)界面反應(yīng)，改善SEI性質(zhì)。

另一種方法是優(yōu)化電極材料的結(jié)構(gòu)和組成。例如，通過合成納米級(jí)別的電極材料，可以增加電化學(xué)反應(yīng)表面積和鋰離子擴(kuò)散路徑，減輕SEI的形成和加厚。此外，也有研究表明，添加鋰鹽等元素可以調(diào)節(jié)電極表面的化學(xué)計(jì)量比例，減少SEI的形成和加厚。

除此之外，如何管理鋰離子的充放電動(dòng)力學(xué)還可以影響鋰電池中SEI的生成和改善。例如，鋰離子電池的充放電電壓和電流密度會(huì)影響鋰離子的傳輸和電極材料表面的化學(xué)反應(yīng)，從而影響SEI的性質(zhì)。

怎樣調(diào)節(jié)電極材料的結(jié)構(gòu)和組成？

優(yōu)化電極材料的結(jié)構(gòu)和組成對(duì)改善SEI至關(guān)重要。那么，如何實(shí)現(xiàn)電極材料的結(jié)構(gòu)和組成的調(diào)節(jié)呢？

一種方法是通過化學(xué)合成方式進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)控。例如，可以通過溶劑熱法、共沉淀法、水熱法等控制反應(yīng)溫度、pH值、反應(yīng)物比例等因素，合成不同尺寸、形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)的電極材料。

另一種方法是利用先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)和計(jì)算模擬工具，對(duì)電極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測和優(yōu)化。例如，利用高通量計(jì)算等手段，可以從大量的候選材料中篩選出具有高性能和穩(wěn)定性的電極材料，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和組成優(yōu)化。

相信隨著材料科學(xué)和工程的不斷發(fā)展，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更好的電極材料的設(shè)計(jì)、合成和表征，進(jìn)一步優(yōu)化電池性能和提高能源利用效率。

如何減少SEI生成？

除了優(yōu)化電極材料和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成，一些操作策略也可以減少SEI的生成。

例如，適當(dāng)?shù)某浞烹婋妷悍秶梢詼p輕SEI的生成和加厚。適當(dāng)降低充電截止電壓，可以減少電極材料的氧化反應(yīng)和SEI的生成。對(duì)于三元材料等高電壓的電極材料，可以適當(dāng)提高放電截止電壓，增加電池容量。

此外，在充電和放電過程中適當(dāng)控制電流密度，避免電極組件過度加熱，也可以減少SEI的生成和加厚。

結(jié)論

本文從鋰電極材料出發(fā)，探究了與“態(tài)極”相關(guān)的原材料問題。SEI的生成和加厚是電池容量和循環(huán)壽命下降的關(guān)鍵因素之一。通過添加劑、優(yōu)化電解質(zhì)和電極材料的結(jié)構(gòu)和組成、調(diào)節(jié)充放電動(dòng)力學(xué)等方面的研究，可以減輕SEI的生成和加厚，進(jìn)一步優(yōu)化電池性能和提高能源利用效率。