為什么鋰電池的最高電壓不能高于4.2V?

鋰離子電池的儲(chǔ)能大小的參數(shù)與能量密度有關(guān)，數(shù)值上大約相當(dāng)于電壓與鋰電池容量的乘積。 為了有效提高鋰電池的存儲(chǔ)容量，一般采用增加電池容量的方法。但受限于所用原材料的性質(zhì)，容量的提升總是有限的，因此提高電壓值成為提升鋰電池儲(chǔ)電能力的另一種方式。眾所周知，鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.6V或3.7V，最高電壓為4.2V。 那么，為什么鋰電池的最高電壓不能高于4.2V獲得更大的突破呢?這是由鋰電池的材料和結(jié)構(gòu)特性決定的。

鋰電池的電壓是由電極電勢決定的。 電壓也稱為電位差或電勢差，是衡量電荷在靜電場中因電位不同而產(chǎn)生的能量差的物理量。鋰離子的電極電位在3V左右，鋰電池的電壓隨材料不同而有變化。 例如，一般鋰離子電池的額定電壓為3.7V，滿電電壓為4.2V; 而磷酸鐵鋰電池的額定電壓為3.2V，滿電電壓為3.65V。也就是說，實(shí)際離子電池正極和負(fù)極之間的電勢差不能超過4.2V，這是基于材料和使用安全性的需要。

若以Li/Li+電極為參考電位，設(shè)μA為負(fù)極材料的相對電化學(xué)勢，μC為正極材料的相對電化學(xué)電勢，電解液電勢范圍Eg為電解液最低電子未占有能級(jí)和最高電子占有能級(jí)之差。

那么，決定鋰電池最高電壓值的三個(gè)因素分別是μA、μC和Eg。

μA和μC之差就是鋰離子電池的開路電壓(最高電壓值)，當(dāng)這個(gè)電壓值在Eg范圍內(nèi)時(shí)，就能夠保證電解液可以正常工作。“正常工作的意思”是指鋰離子電池通過電解液在正負(fù)極之間來回移動(dòng)，但不會(huì)與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而保證電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。正負(fù)極材料的電化學(xué)勢導(dǎo)致電解液工作異常有兩種形式：

1、當(dāng)負(fù)極的電化學(xué)電位高于電解液的最低電子未占能級(jí)時(shí)，負(fù)極的電子會(huì)被電解液俘獲，因此電解液被氧化，反應(yīng)產(chǎn)物在負(fù)極材料顆粒表面形成“固液界面層”，從而導(dǎo)致負(fù)極可能遭到破壞。

2、當(dāng)正極的電化學(xué)電位低于電解液的最高電子占有能級(jí)時(shí)，電解液中的電子會(huì)被正極俘獲，然后被電解液氧化，反應(yīng)產(chǎn)物在正極材料顆粒表面形成“固液界面層”，從而導(dǎo)致正極可能遭到破壞。

然而，這種正極或者負(fù)極遭到破壞的可能性卻因?yàn)椤肮桃航缑鎸印钡拇嬖诙柚沽穗娮釉陔娊庖汉驼?fù)極間的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，反而保護(hù)了電極材料，也就是說，在較小程度上“固液界面層”是“保護(hù)性”的。這種保護(hù)的前提是正負(fù)極的電化學(xué)電位可以略超過Eg區(qū)間，但不能超出過多。例如，目前鋰離子電池負(fù)極材料大部分使用石墨的原因是石墨相對于Li/Li+電極的電化學(xué)電位在0.2V左右，略超出Eg范圍(1V~4.5V) ，但由于“保護(hù)性”的固液界面層”阻止了電解液的進(jìn)一步還原，從而阻止了極化反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)展。然而，5V高電壓正極材料超出了現(xiàn)在商用有機(jī)電解液的Eg區(qū)間太多時(shí)，在充放電過程中極易被氧化，隨著充放電次數(shù)的增加，容量下降，壽命縮短。

所以選擇鋰離子電池的開路電壓為4.2V，是因?yàn)楝F(xiàn)有商用鋰電池電解液的Eg范圍為1V-4.5V。如果開路電壓設(shè)定為4.5V或許可以提高鋰電池輸出的電能，但也加大了電池過充的風(fēng)險(xiǎn)，而過充的危害有相當(dāng)多的資料已經(jīng)說明，這里就不再多說了。

綜上所述，要想通過提高電壓值來提高鋰電池的能量密度，只有兩條路可尋。一是尋找能夠匹配高電壓值正極材料的電解液，二是對電池進(jìn)行保護(hù)性的表面改性。