析锂边界电位采用三电极负极电压0V是否合理,需要确认三个事情:
1.三电极所测负极电位到底是什么电位?
2.锂沉积反应标态下的电极电位 =0V,真实情况下析锂反应的平衡电势是否就是0V?
3.电池充电过程中负极哪个位置优先析锂,即的电极电势最低点在哪?
现看第一个问题,三电极测试示意图如Fig1所示:
Fig1
三电极所测负极电位:
参比电极采用镀锂铜丝,可以视为等势体,那么:
测量过程中测量电流几乎为零,3点的电极电位只需考虑热力学因素,根据能斯特方程有:
锂沉积反应在标态下(1atm,1mol/L)定义为0V,那么由式3有:
将式(2)(4)代入式(1)有:
从式(5)可以看到三电极所测负极电位受到3点的液相浓度与温度的影响。
三电极制作过程铜丝塞入长度,额外添加的隔膜大小,贴胶位置,胶纸大小等因素会影响3处的液相分布,倍率越大,这种液相分布的不一致性会放大,这也是为什么三电极电池在大倍率测试时一致性会变差的原因。
现来看第2个问题,从前面式(3)可知锂沉积反应在非标态下的平衡电势为:
发生析锂反应时的电极电势为:
若只考虑热力学条件,当锂浓度小于1mol/L时, ,直接采用0V做析锂边界,那么是偏保守边界,无析锂风险;
但是反应速率或者负极颗粒固相传输受限时,会出现液相锂浓度大于1mol/L的情况,如Fig2所示,此时,再采用0V做边界就会存在析锂的风险。
所以为了严格确保不发生析锂,建立一个在热力学上不发生析锂的边界应当为:
Fig2
第三个问题,从Fig2中可以看到,在充电过程中负极电极电势在从集流体测到隔膜测的厚度方向上逐渐降低,那么优先析锂位置在负极隔膜界面处(点2)。
结合式(6-7),最终析锂边界条件为:
只考虑热力学因素,边界为:
以三电极所测负极电压为0V为边界:
从Fig4可以观察到
那么式9条件先满足,即以三电极负极电压0V为析锂边界是偏保守边界,式(9-10)仿真计算结果如Fig4所示。
所以在实际应用过程中采用三电极负极电压0V为边界测试得到的最大充电电流是安全的,但是没有最大化利用电芯的充电能力。