锂离子电池循环寿命影响因素分析

锂离子电池循环寿命影响因素分析

摘要：随着电子科学技术的不断发展，越来越多的电子产品使用锂离子电池作

为能量的供给，但是锂离子电池目前在使用上还存在许多问题，其中锂离子电池

的循环寿命就对整个电子产品的使用有关键的影响作用.当电池的寿命较低时，电子产品的使用寿命也会受到影响，即使及时更换新的电池也不能达到原来电池的

高匹配程度，所以有必要对锂离子电池循环寿命的影响因素进行探索。本文对锂

离子电池使用过程中循环寿命的影响因素进行分析和探讨，其中包括锂离子电池

设计和制造工艺、锂离子电池所使用的材料老化和衰退的情况、锂离子电池所使

用的环境和充放电制度等方面展开详细的探讨，并提出相应的对策。

关键词：锂离子电池；循环寿命；影响因素

锂离子电池作为最常用的充电电池，具有单体电压高、质量轻、自放电小、工作温度范围广、环境容纳度高等出色优点，其他类型电池很少全面具备这样的性能。但是锂离子电池依然存

在缺点，例如有些锂离子电池在经过一定周期的充电和放电循环之后，电池的容量下降过快，达不到标准500次循环的，本文将对锂离子电池的循环性能进行探讨。影响锂离子电池循环

性能的因素有很多，其中，电池在使用过程中，在其内部发生的化学反应是直接影响电池循

环寿命的，除此以外，电池制备所使用的材料、制作设计工艺等也会对电池的循环寿命造成

影响。本文就这几方面的内容进行探讨。

一、简述锂离子电池的构成和原理

（一）锂离子电池的构成

虽然锂离子电池从发明到使用经历较多改进，但是锂离子电池的本质构成并不复杂。锂

离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜、集流体以及电池外壳所构成。正负极所采用的

材料各自不同，但是都有一定的要求。电解液的选择需要满足良好的离子导体和电子绝缘体

的要求，同时应具备良好的热稳定性及化学稳定性。合适的集流体能够保证极片在工作过程

中处于稳定的状态。每一个部分的合理构成可以保证锂离子电池正负极反应的顺利进行。

（二）锂离子电池的反应原理

锂离子电池在工作过程中所发生的反应主要为：充电时，锂离子从正极经过电解液穿过

隔膜嵌入到负极，同时有相同数量的电子经外电路传递到负极，保证电荷平衡；而进行放电时，则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解液穿过隔膜再回到正极，此时相同数量的电子经

外电路传递到正极。在锂离子电池进行首次充电时，有机电解液在碳负极表面发生还原分解，形成一层电子绝缘、离子可导的钝化膜，这层钝化膜被称为固体电解质界面膜（solid electrolyte interface，SEI），该钝化膜能够阻止电解液与碳负极的反应以及溶剂分子共插对负极结构的破坏，对负极进行保护。

二、影响锂离子电池循环寿命的因素

影响锂离子电池循环寿命的因素包括内部和外部因素，内部因素主要是锂离子电池进行

充电和放电过程的化合反应，外部因素主要是在使用过程中的环境控制等。我们讨论在可控

范围内对锂离子电池循环寿命造成影响的因素，希望能够发现并且控制这些因素的办法，延

长电池的循环寿命，使锂离子电池能够得到更加良好的应用。

（一）在制造工艺上对电池循环寿命的影响

锂离子电池的设计和制造工艺包括对正负极使用材料的质量控制、正负极材料的添加量、装配过程、电解液配比选择等[1]。第一，电极材料作为影响电池寿命的重要影响因素，选择

质量好的材料能够延长电池的整体循环寿命。第二，在材料的配比方面需要注意，在进行电

芯设计时，负极容量应高于正极容量，否则会导致在充放电过程中形成锂枝晶在负极沉积，

形成安全隐患。第三，在电解液的使用上，同样会影响整个电极材料的使用情况，所采用的

电解液应具备合适的电导率，保证锂离子的顺利迁移，使锂离子很好地在正负极上进行嵌入/脱出，有效保证锂离子电池的循环寿命。第四，在锂离子电池的制作工艺上，包括正负极的

配料，涂布，制片，电芯制作，注液、封口、化成、分容、老化等工序，在制作锂离子电池时，需要对每一步都进行严格控制，否则锂离子电池会在使用中产生问题，例如容量低、内

阻大、低压、循环性差等。第五，在进行正极负极的配料时需要严格控制粘黏剂的使用量、

搅拌速度、浆料的粘度、温度和环境湿度等因素，在涂布过程中需要控制涂布均匀性，防止

涂布敷料量不均匀对电池容量及循环寿命造成的影响。涂布之后的极片需要进行辊压，其中，采用石墨作为主材的负极片，由于石墨具有一定的膨胀性，一般采用二次辊压的工艺，相对

比起一次辊压，二次辊压能使颗粒排列更规整，同时能有效降低辊压过程中对颗粒材料的破坏，因此能够有效降低电池内阻，提高电池的循环寿命。第六，电芯制作一般分为卷绕及叠

片两种工艺，在卷绕工艺中，需要进行试卷，调整卷针、极耳位置、收尾位置等，使得最终

的卷芯不松不紧，降低电流的损耗。如果过紧，电芯吸液量不足则会造成锂离子无法有效的

穿过隔膜，从而降低放电容量，太松则不利于正负极之间发生反应，增加电池内阻，缩短电

池的循环寿命。

（二）电池使用材料衰老对电池循环寿命的影响

由于锂离子电池进行充电和放电时，主要是锂离子在正极和负极之间嵌入或脱出，而在

进行氧化还原反应时也会带来大量的副作用，从而降低穿梭过程中锂离子的数量，如果能够

将进行反应过程中的副作用降至最低，能够使得锂离子顺利地通过隔膜，到达正负极材料，

这样就能够使得锂离子电池的循环寿命得到延长，简而言之就可以降低电池材料老化的程度。其中最能够决定锂离子通过状态的好坏的就是SEI膜，如果在化成过程中形成较好的SEI膜，能够提高电池的稳定性，而稳定的SEI能够保持锂离子电池在高温下至少存储四年之久。通

过对锂离子电池的充电放电过程进行研究，大部分学者都间接地表明了如果控制好SEI膜的

成膜质量，就能够有效增加电池的循环寿命[3]。

（三）电池使用环境对循环寿命的影响

同时，锂离子电池的使用状况也对环境有较大的要求，其中环境的温度、充放电电压范围、环境湿度等要素都对锂离子电池有较大的影响，经过相关学者的研究发现，如果将锂离

子电池放置在零下20度的条件之下进行充电和放电的过程，相比于正常温度下（25℃±3℃）电池的整体性能就会降低至将近50-60%的水平[2]。所以为了保证电池能够得到长时间的循环使用，使用者需要控制锂离子电池使用的环境，一般锂离子电池所使用的正常温度范围在20℃-45℃，如果温度较高时则会造成电池内部副反应加剧从而引起热失控，甚至发生膨胀、

燃烧或爆炸的情况，所以稳定的温度和环境，对锂离子电池的使用有至关重要的作用。其次，锂离子电池在空间的使用上也有一定标准，如果锂离子电池在使用时长期遭受到挤压、震动、冲击和碰撞，则会造成电池产生形变，内部结构的平衡性受到破坏，这样电池的使用寿命也

会大大降低，更有甚者会产生恶劣的爆炸情况[4]。为了避免危险情况的发生以及提升电池的

使用寿命，使用者需要认真阅读使用说明书，确保电池的使用环境处于较为安全和平稳的状

态之下，这样既能够增加电池的使用寿命，也对电池的安全有保障。

（四）充电放电过程对电池循环寿命的影响

在电池的循环过程中，充电放电电流的大小、充电放电的截止电压等也会对锂离子电池

的循环寿命有很大的影响，如果使用较大的工作电流进行充电，过大的充电电流会对材料结

构造成冲击，破坏极片稳定性，造成电池的内阻增大，工作电压及其他性能整体下降，所以