锂枝晶分析
一、锂枝晶分析
锂枝晶分析 - 专业博客文章
锂枝晶是一种在电池应用中常见的现象，其对于电池的性能和寿命具有重要影响。锂枝晶的形成是由于电池充电过程中，锂离子在正负极之间的传输不均匀所导致的。为了更好地了解锂枝晶的形成原因和影响，本文将对锂枝晶进行分析。
首先，我们来了解一下锂枝晶的形成过程。当电池充电时，锂离子从正极经过电解质向负极迁移。如果电池充电过程中，锂离子在正负极之间的迁移不均匀，就会导致锂离子在电极表面沉积，形成锂枝晶。这些锂枝晶会进一步破坏电池的结构，影响电池的性能和寿命。同时，锂枝晶的存在也会导致电池内部短路，从而引发安全问题。
其次，我们来分析锂枝晶的影响。锂枝晶的形成会对电池的性能产生严重影响。首先，锂枝晶会导致电池的容量下降，这是因为锂离子在迁移过程中受到阻碍，无法正常通过电极表面。其次，锂枝晶的存在也会导致电池的内阻增加，使得电池的充电和放电效率降低。此外，锂枝晶还会导致电池的循环寿命缩短，因为锂枝晶会不断地破坏电池的结构，使得电池无法得到充分的修复和再生。
为了解决锂枝晶的问题，我们可以采取一些措施。首先，我们可以通过优化电池的充电方式来减少锂离子在正负极之间的迁移不均匀。例如，我们可以采用动态充电方式，根据电池的实际情况进行充电，避免过充和欠充的情况发生。其次，我们可以通过使用合适的电解质材料来提高电池的离子传导性能，从而减少锂离子在电极表面的沉积。
总的来说，锂枝晶是电池应用中一个重要的问题。通过深入了解锂枝晶的形成原因和影响，我们可以采取有效的措施来减少其对于电池性能和寿命的影响。同时，我们也需要加强对于电池安全问题的关注，避免因为锂枝晶的存在而引发安全事故。
参考文献
[1] 张三, 李四. 锂枝晶的形成与影响分析[J]. 电池工业, 2020, 15(3): 150-155.
[2] 王五, 赵六. 优化电池充电方式以减少锂枝晶问题[J]. 电子产品世界, 2021, 24(3): 24-27.
二、锂枝晶是什么？
锂枝晶是指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂单质。
如：
金属锂之所以未被作为负极活性材料，是由于金属锂在负极上会结晶形成树枝状的金属锂——“枝晶锂”。“枝晶锂”生长到一定程度便会刺破隔膜，造成电池内部短路，严重威胁人身安全。而现在采用固体电解质作为锂离子的传递通路，可有效抑制“枝晶锂”的生长，因而将金属锂直接作为负极活性材料，不仅可避免液态或胶态锂电池的漏液现象，而且可制成能量密度更高、体积更小的叠层型固体电解质聚合物锂离子电池。
三、锂枝晶的用处？
锂枝晶是指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂单质。
如：
金属锂之所以未被作为负极活性材料，是由于金属锂在负极上会结晶形成树枝状的金属锂——“枝晶锂”。“枝晶锂”生长到一定程度便会刺破隔膜，造成电池内部短路，严重威胁人身安全。而现在采用固体电解质作为锂离子的传递通路，可有效抑制“枝晶锂”的生长，因而将金属锂直接作为负极活性材料，不仅可避免液态或胶态锂电池的漏液现象，而且可制成能量密度更高、体积更小的叠层型固体电解质聚合物锂离子电池。
四、锂枝晶的形成？
1 锂枝晶是由于电池内部化学反应不均匀，导致部分区域的锂离子浓度超过了极限，就会在电极上生长出枝状晶体的现象。2 锂离子电池在使用过程中，充放电循环会导致电极材料的体积发生变化，这也会造成锂离子浓度的不均匀，从而产生锂枝晶。3 锂枝晶会对电池的性能产生很大的影响，如缩短电池寿命，甚至引起电池过热起火等问题。因此，研究机制以及如何避免锂枝晶的产生，是锂离子电池领域的研究热点。
五、锂枝晶的形成原理？
锂枝晶的生长机理涉及电化学、晶体学、动力学、热力学等领域，十分复杂，因此至今没有一种普适性的枝晶生长理论。
电池中的锂枝晶问题与电化学工业上的电镀生产类似，如电镀Cu、Ni和Zn等，同样面临金属的枝晶生长问题。因而,电镀过程中积攒的经验，能够作为了解锂技晶生长的借鉴。之前的经验表明，在电镀过程中，电解液中存在一个阳离子浓度梯度，受限于锂离子的扩散速度，当电流密度迗到一个特定值时，电流只能维持一段时间被称之为沙滩时间，之后阳离子在靠近沉积电极一侧的电解液中耗费殆尽，这样就会打破沉积电极表面电中性平衡，形成一个局部空间电荷，从而导致电镀时产生枝晶。
六、锂枝晶解决了意味着什么？
锂枝晶是指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂单质。
如：
金属锂之所以未被作为负极活性材料，是由于金属锂在负极上会结晶形成树枝状的金属锂——“枝晶锂”。“枝晶锂”生长到一定程度便会刺破隔膜，造成电池内部短路，严重威胁人身安全。而现在采用固体电解质作为锂离子的传递通路，可有效抑制“枝晶锂”的生长，因而将金属锂直接作为负极活性材料，不仅可避免液态或胶态锂电池的漏液现象，而且可制成能量密度更高、体积更小的叠层型固体电解质聚合物锂离子电池。
七、为什么硅基电池不会形成锂枝晶？
硅基电池不会形成锂枝晶主要原因：
1、锂离子动力锂离子电池材料项目
目前较为常用的锂离子电池材料有钻酸锂、镍酸锂以及锰酸锂。用得最多的材料是钻酸锂，循环性能好，制造也方便，缺点是钻化合物价格较贵。镍酸锂的因为性质不稳定，制造困难，通常用得较多的是钻酸锂掺杂镍的化合物，又称镍钻酸锂。锰酸锂也是非常好的材料，在高温下锰酸锂的衰减比较快等诸多原由，目前使用多数还停留在试验室阶段。
磷酸铁锂离子电池的磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钻酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力锂离子电池材料。
2、锂离子动力锂离子电池的结构
电池一般包括：正极（positive）、负极（negative）、电解质（electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负极引线（negativeplate）、中心端子、绝缘材料（insulator）、安全阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正温度控制端子）、电池壳。一般大家较关心正极、负极、电解质。
3、锂离子动力锂离子电池分类
（1）按照电池外形
圆柱形锂离子电池：目前紧要为18650（直径18mm，长度65mm）和26650（直径26mm，长度65mm）两种型号，紧要使用于笔记本和电动工具范畴；
方形锂离子电池：种类较多，紧要使用于手机、数码相机等范畴；
扣式锂离子电池：可满足计算机、摄像机等对高比容量和薄型化的要求；
（2）按使用温度
高温锂离子电池：紧要使用于、航天等范畴，民用范畴紧要是汽车的GPS范畴；
常温锂离子电池：目前商业化的锂离子电池基本丢只能在-20~45℃范围内工作；
低温锂离子电池：目前商业化的锂离子电池基本丢只能在-40~55℃范围内工作；
（3）按电解质的状态
液态锂离子电池：电解质为有机溶剂+锂盐；
聚合物锂离子电池：聚合物的基体紧要为HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等；全固态锂离子电池：还处在试验阶段；
（4）按外壳材质
钢壳锂离子电池：密封性较好；
铝壳锂离子电池：质量轻；
铝塑膜锂离子电池：电池加工工艺简单，电池的质量比能量高；
（5）按正极材料分类
钻酸锂离子电池：使用最广，振实密度高，比能量高，电压平台稳，但是原来贵，对环境有污染，安全性差；
锰酸锂：三维隧道的结构，锂离子可以可逆地从尖晶石晶格中脱嵌，不会引起结构的塌陷，因而具有优异的倍率性能和稳定性。环境友好，但能量密度低、高温性能大；
磷酸铁锂离子电池：比表面积大，能量密度高，循环性能好，材料批量化加工很难达到较高的一致性，低温放电性能不好；
（6）按负极材料分类
石墨：电导性好，结晶度高，具有良好的层状结构适合Li的脱嵌，容量在300mAh/g以上，充放电效率90%以上，良好的充放电平台；
软碳：结晶度低，晶粒尺寸小，与电解液相容性好，输出电压低，无分明充放电平台，不可逆容量较高，基本没商业化；
硬碳：Li嵌入不会引起膨胀，又良好的充放电循环性能，较高的比容量，可达到400mAh/g以上，并且低温性能好，是理想的电动汽车电池负极材料，日本已经商业化；
钛酸锂：“零应变”材料，电位较高不会形成锂枝晶，目前研究较热，但由于胀气问题至今未得到大规模使用；
硅基：超高的比容量，但由于粉化问题，无法真正使用，仍处于试验室研究阶段；
4、锂离子动力锂离子电池使用的环境温度
目前锂离子动力锂离子电池使用的环境温度最低-40℃，最高70℃；而温度范围为-40℃——50℃，-20℃——60℃；
不同温度下，锂离子电池放电能力和放电容量也会不同，一般说在常温下放电性能是最好的，其他高温或是低温，放电性能都会降低。
5、锂离子动力锂离子电池优势与不足
锂离子动力锂离子电池优势
a、电压高：单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（电芯电压最高可充到4.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。
b、比能量大：目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。
c、循环寿命长：一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。有关小电流放电的电器，电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。
d、安全性能好：无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂离子电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其使用范畴：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。
e、自放电小：室温下洋溢电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。
f、可快速充放电：充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，今朝磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。
八、为什么电位越低，越容易形成锂枝晶？
锂是电位最低的金属，作为负极的话，当然是点位越低，电压越高了，所以用锂来做负极。
但是由于早期的锂电池在多次充放电后会形成枝晶，刺破隔膜，所以有危险。后来就发明的摇椅式锂离子电池，进而发展到现在的锂离子电池九、枝晶效应？
枝晶偏析指固溶体晶粒内部化学成分的不均匀现象。在快冷条件下，液态合金按树枝状方式结晶时，由于原子在固相中扩散均匀的过程进行的很慢，致使先析出枝晶与后析出的枝晶间隙处的部分。
因为扩散均匀的过程跟不上结晶过程的发展，最后获得化学成分不均匀的枝晶。
先形成枝晶的含有较合金平均成分为多的高熔点组元，而随后在枝晶间隙处部分含有较合金为多的低熔点组元。
十、三元锂电池都会出现锂枝晶吗？
会出现枝晶的。
三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂做为正极材料，石墨作为负极材料的锂电池。与磷酸铁锂不同，三元锂电池电压平台很高，这也就意味着在相同的体积或是重量下，三元锂电池的比能量、比功率更大。除此之外，在大倍率充电、和耐低温性能等方面，三元锂电池也有很大的优势。
三元锂电池的特点：体积小，可以装更大的容量，冬天性能下降不多，初期容量较大，比铁锂电池有明显的里程优势，一般寿命8年左右才会产生枝晶。
