锂电芯析锂不良原因及改善

锂析出是指锂离子在负极表面（而非内部）获得电子后，以金属锂的形态沉积的现象。这就像是本该嵌入石墨层状结构的锂原子，被“卡”在了表面，变成了金属枝晶。

以下是锂析出的主要原因及相应的改善策略，从电芯设计、制造工艺、材料体系和使用条件四个维度进行阐述。

一、 电芯设计与材料体系原因及改善策略

1.原因：负极活性物质不足(N/P比过低)

N/P=negative active substance g capacity×negative surface density×negative active substance content ratio÷(positive active substance g volume×positive surface density×positive active substance content ratio)
描述：N/P比是指负极容量(Negative)与正极容量（Positive）的比值。当N/P比过低(通常<1.1)，意味着负极“容纳空间”不足。在充电末期，从正极脱出的锂离子无法全部嵌入负极，剩余的锂离子只能在负极表面析出。

改善策略：
①优化N/P比设计：适当提高N/P比（例如调整到1.1~1.2甚至更高），确保负极有足够的冗余容量来接收所有锂离子，尤其是在低温、快充等苛刻条件下。
②使用高容量负极材料：如采用硅碳复合材料（Si-C），其理论容量远高于石墨，可以在相同体积/重量下提供更多储锂位点。

2.原因：电解液匹配性差

描述：电解液的成分（锂盐、溶剂、添加剂）直接影响锂离子在负极表面的迁移速率和固态电解质界面膜（SEI膜）的质量。如果电解液成膜性差或电导率低，会加剧极化，导致析锂。
改善策略：
①优化电解液配方：添加成膜添加剂（如FEC, VC），优先在负极表面形成致密、稳定、锂离子电导率高的SEI膜，促进锂离子均匀嵌入。
②提高电解液电导率：选择合适的锂盐（如LiPF6）和溶剂组合（EC/DEC/EMC等），降低液相传质阻力。
③使用新型锂盐和添加剂：如LiFSI具有更高的电导率和热稳定性，有助于改善低温快充性能，抑制析锂。

3.原因：负极材料本身动力学性能差

描述：石墨负极的锂离子嵌入动力学相对较慢，尤其是在低温或高倍率下，锂离子来不及嵌入，就容易在表面析出。
改善策略：
①材料改性：对石墨材料进行表面包覆（如无定形碳包覆）、氧化或掺杂，提高其表面离子电导率和嵌锂速率。
②使用快充型负极：开发和使用钛酸锂（LTO）等“零应变”材料，其锂离子扩散系数极高，几乎不存在析锂风险，但缺点是电压平台高，能量密度低。

二、 制造工艺原因及改善策略

1.原因：涂布面密度不均匀

描述：极片涂布时，如果负极局部面密度过低(即涂层太薄)，该区域的局部电流密度会过高，锂离子涌入过快，极易导致该点优先析锂。
改善策略：
①提升涂布工艺精度：保证涂布的均匀性和一致性，严格控制极片的面密度、压实密度公差。
②在线检测与分选：利用X-ray、β射线等在线检测设备监控涂布重量，并对极片进行分级，避免不合格极片流入下一工序。

2.原因：电解液浸润不充分

描述：注液后老化时间不足或浸润条件不当，导致电解液未能充分渗透到电芯内部，尤其是隔膜与极片之间。这会增加离子传输阻力，造成局部极化过大而析锂。
改善策略：
①优化浸润工艺：采用高温老化、真空注液、多次注液等工艺，确保电解液充分浸润。
②设计合适的保液量：保证足够的电解液量，但同时要平衡能量密度和成本。

3.原因：负极辊压过度

描述：辊压压力过大，虽然提高了能量密度，但可能导致石墨颗粒被压碎，孔隙率降低，堵塞了锂离子嵌入的通道，同时也可能破坏已有的SEI膜。
改善策略：优化辊压工艺参数：寻找能量密度和动力学性能的最佳平衡点，控制合适的压实密度和孔隙率。

三、 使用条件原因及改善策略

1.原因：低温充电

描述：低温下，电解液电导率下降，石墨负极的嵌锂动力学变得极其缓慢，而锂离子析出的动力学障碍相对较小，因此析锂风险急剧增加。
改善策略：
①BMS软件限制：电池管理系统（BMS）应检测电芯温度，在低温(如<0°C或<5°C)时禁止充电或大幅降低充电电流（涓流充电）。
②预热系统：在充电前，通过PTC加热器、脉冲电流等方式对电池包进行预热，使其达到适宜的充电温度（如10-25°C）。

2.原因：大倍率充电（快充）

描述：大电流充电时，大量的锂离子瞬间涌向负极，超出了负极的嵌锂速率极限，导致离子“堵塞”在表面而析出。
改善策略：
①优化充电策略：采用多阶段恒流恒压(CC-CV)充电，在SOC较高时自动减小电流。或者使用智能充电算法（如脉冲充电）。
②从电芯设计上支持快充：即从上述第一、二点的根源上改善负极动力学和电解液传导能力。

3.原因：过充

描述：充电电压超过上限，迫使过量的锂离子从正极脱出，远超负极的设计容量，必然导致严重的析锂。
改善策略：BMS严格监控：BMS必须精确监控每颗电芯的电压，绝对防止任何过充情况的发生。这是最基本的安全要求。

如何判断电芯是否发生了锂析？

1.拆解分析：拆开循环后的电芯，观察负极表面，析锂区域常呈灰白色金属光泽（正常石墨为铜金色或黑色）。
2.容量衰减与内阻增长：析锂会导致活性锂的不可逆损失，表现为容量跳水，内阻显著增大。
3.微分容量曲线（dV/dQ）分析：通过分析充放电曲线，析锂会在特定电位下出现异常峰或平台。
4.低温性能测试：低温充电后，静置电压回落（Voltage Plateau after Relaxation）是判断析锂的重要特征。

锂析是一个多因素耦合的结果，通常不是单一原因造成。改善策略也需系统性地从设计、制造、材料和使用端共同入手。