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水系电池容量衰减机理

锂离子嵌入化合物在水溶液中的化学/电化学反应比在有机电解液中要复杂得多:要涉及到许多副反应,例如电极材料与水和氧气的反应;电极材料嵌锂过程中的质子协同嵌入;氧气和氢气的析出;电极材料在水中的溶解。

 

水系电池

 

已经证实当相对与Li/Li+的电位高于3.3V时,电极材料在空气中基本上是稳定的。而对于水系钾离子电池的负极,嵌入电位通常低于3.3V。

首先大家要考虑电极材料在水溶液中的稳定性。水系电池通常是敞开于空气中,大家需要考虑电极材料在水和氧气都存在的情况下的稳定性。。

若在水和氧气都存在时,以下反应将会发生:

Li(fimtercalated)+(1/4)O2 +(1/2)H20 →Li++HO-

嵌锂化合物于水和氧气达到平衡时计算得到的的平衡电位V(x)= 4.27 -0.059pH(V)

在氧气存在的情况下,没有材料可以用来作水系锂离子电池的负极。这是因为水系锂离子电池负极的锂离子嵌入电位一般相对于Li/Li+低于3.0V,而计算得到的平衡电位在PH为7时是3.85V,在PH为13时是3.5V。这表明所有负极材料的还原态理论上将会被水和氧气氧化,而不是进行电化学氧化反应。大家认为在氧气存在时,适合作为水系锂离子电池负极任何材料在放电态都会和氧气和水反应,这是导致水系锂离子电池容量衰减的原因。

在无氧的情况下,嵌锂化合物将会于水发生如下反应:

Li(tintercalated)+H20→Li++OH-+(1/2)H2

嵌锂化合物于水达到平衡时计算得到的的平衡电位是:

V(x)=3.04-0.059pH(V)

通过广泛研究电极材料在水溶液中的稳定性,伴随着锂离子嵌入的质子嵌入,氧气和氢气的析出反应,和电极材料在水中的溶解性,研究人员发现:在氧气存在的情况下,适合作为水系锂离子电池负极任何材料在放电态都会和氧气和水反应,这是导致水系锂离子电池容量衰减的原因。通过密封电池除氧,调整电解液的pH值,使用炭包覆的电极材料,水系锂离子电池可以具有非常长的循环寿命。

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