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锂电池化成曲线上的峰:dQ/dV到底在发生什么?

星球里有位朋友问了我一个问题,我觉得挺有代表性,拿出来单独聊一聊。在分析高镍三元+石墨体系首次充电的dQ/dV曲线时,发现在1V不到、1.5V不到有两个非常小的指纹峰,在2V不到和2.5V左右也出现了两个相对大一些的指纹峰。这些非常细微的反应峰可能对应哪些电化学反应过程?

这个问题问得很好。因为平时大家看化成,注意力往往都放在后面,高电压区的首效、气胀、阻抗这些更像“结果”的东西,前面这一段很多时候就被一句成膜带过去了。但倍率如果足够低,原本压在背景里的细节会自己冒出来,这几个小峰就是这样。

不过看到小峰先别急着认。dQ/dV 的确能把弱反应放大出来,但微分也会把前段数据里的毛刺一起放大。尤其是 0.02C 这种很慢的测试,前面那一小段如果采样不够细、平滑参数不合适,或者电压还没完全稳住,就可能在曲线上鼓出一些不太自然的小包。所以后面的讨论默认一个前提,就是这四个峰已经能重复出现,位置也比较稳定,否则先谈机理意义不大。

真要分析这些峰,第一步不是去查“0.95V 对应什么反应”,而是先把全电池电压这个概念拆开。因为全电池电压只是正极和负极电位的差值,它本身并不直接对应某个单电极的反应窗口。你看到的是一个差,真正发生反应的是两个电极各自所在的位置。

化成初期可以做一个很粗的近似。高镍 NCM 在满锂态附近的电位通常在 3.6V 上下,首充刚开始脱锂不多,正极电位会上升,但整体比较慢。相对来说,石墨负极从无锂态往下掉得更明显,所以这一段全电池电压的上升,主要还是负极电位在下降。如果很粗地拿 3.5V 去估,2.5V 这个峰大致对应负极 1.0V 左右,1.9V 对应大约 1.6V,1.37V 在 2.1V 附近,0.95V 差不多就是 2.5V 一带。这个换算只能拿来当路标,不能当结论,尤其前两个峰本来就小,位置又靠前,误差会比较大。

四个里面,2.5V 那个相对最好认。它落在负极大约 1.0V 的位置,跟 VC、FEC 这类常见成膜添加剂的还原窗口是对得上的。如果电解液里有这类添加剂,那把这个峰理解成它们优先还原、开始参与 SEI 初始生成,我觉得问题不大。严格说,它未必只对应某一个单一反应,VC 和 FEC 之间本来就可能叠加,主溶剂在低电位侧也可能沾上一点,但大方向上,这个峰基本可以看成界面明显开始成膜的信号。

1.9V 那个峰我个人更倾向于辅助添加剂。它大概对应负极 1.6V 左右,这个区间里 PS、LiPO₂F₂ 之类的前序添加剂的可能性要大点。可能也有人会想到水分,因为水在石墨表面的还原窗口。但如果从工程直觉上看,我对“水分是主因”这件事会保留一点。正常产线控制下,水分毕竟只是几十 ppm,它当然会有影响,但很多时候更像是背景上的附加项,把整体曲线抬升,而不是自己长成一个小峰。

再往前的 1.37V 就开始难判断了。这个峰很小,按粗估对应负极大概2.1V左右。到了这么高的电位,常规碳酸酯溶剂基本不太会还原,所以如果这里真有反应,多半得去想那些比主溶剂更容易被还原的东西。比如DTD,它本来就是偏高电位介入的那类添加剂,在一些体系里确实可能比 VC、FEC 更早开始动作。但DTD 的窗口其实是很散多,不同材料、不同电解液下的电位差别很大,所以单凭这个峰很难说死。还有一种可能就是铜箔表面氧化层的还原。但是现在的铜箔氧化层很薄了,对应电荷量有限,它能不能稳定成一个峰本身就是个问题。最后我能想到的就是石墨表面官能团先发生反应,但这个就要看具体材料了。

0.95V 那个峰就跟蒙差不多了。它最早出现,也最小。如果前面的粗估还能勉强成立,那它对应的负极电位已经到 2.5V 附近了。在这么高的负极电位下,已知的还原反应确实不多。要说他是不是前段电压松弛、采样分辨率或者平滑处理带出来的伪峰,还更合理一点。只有在重复测试都能稳定出现、位置也比较固定的前提下,才值得往高电位添加剂的反应这些方向去想。

这几个峰也不是石墨正常的 staging(阶化) 峰。石墨经典的 staging 特征在全电池里通常会出现在更高电压段,而且峰形更规则一些。这里的四个峰太靠前,轮廓也更宽、更钝。不过真正更有说服力的判据,还是看第二圈。如果第二圈这些峰基本消失了,那它们是化成副反应的可能性就很大;如果后面每一圈还在,只是位置略有漂移,那才值得重新考虑是不是可逆的嵌脱锂过程。

再往下做,最有价值的是半电池和添加剂控制变量。石墨对锂、NCM 对锂各做一套,很多峰到底来自哪一边,立刻就清楚很多。再用空白电解液和单添加剂逐个加回去,哪些峰是跟着 VC 走的,哪些峰是跟着 PS 或 DTD 走的,很快就能明确。1.9V 如果怀疑水分,就做个含水量梯度,看峰面积是不是跟着含水量变,实践是检验真理的唯一手段。这些实验如果有人做了,欢迎来星球分享数据,一起看看。

经常在星球里、私信里收到大家的感谢,这当然是动力。但说实话,看到大家在里面自发地互相讨论、一起把问题往深里推,这个比被感谢本身更让我觉得值。