鋰電池電極材料濕熱老化：高低溫試驗箱如何揭示性能衰退機理？

引言
      隨著鋰電池在新能源汽車與儲能系統中的大規模應用，其在復雜濕熱環境下的長期可靠性已成為制約技術發展的關鍵挑戰。電極材料作為電池核心組分，其濕熱老化行為直接決定電池性能衰減與服役安全。高低溫試驗箱憑借其精準的溫濕度控制能力，為模擬鋰電池實際運行環境、揭示材料老化機制提供了關鍵實驗平臺。目前，濕熱耦合環境下電極材料微觀結構演變與電化學性能的關聯機制尚不明確，亟需系統研究。本研究通過高低溫試驗箱模擬多種濕熱工況，深入解析電極材料性能衰退路徑，為高環境適應性鋰電池的設計提供理論支撐。

一、實驗設計
（一）實驗材料
選用商用鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰（LiFePO?）與負極材料石墨作為研究對象。正極電極片制備：將LiFePO?、乙炔黑導電劑與PVDF粘結劑按質量比8:1:1混合，加入NMP溶劑調配為漿料，涂覆于鋁箔集流體后烘干輥壓；負極電極片制備：將石墨、Super P導電劑、SBR與CMC粘結劑按質量比9:0.5:0.3:0.2混合，加水制成漿料，涂覆于銅箔集流體后烘干成型。

（二）實驗設備
采用高精度高低溫試驗箱作為環境模擬裝置，溫度控制精度±0.1℃，濕度控制精度±2%RH，溫度調節范圍10-80℃，濕度調節范圍20%-95%RH。

（三）實驗方案
將封裝完成的CR2032型扣式半電池置于高低溫試驗箱中進行濕熱老化實驗。設置四組溫濕度條件：
對照組：25℃，40%RH；
工況1：40℃，60%RH；
工況2：55℃，75%RH；
工況3：70℃，90%RH。
每組設置三個平行樣本，分別于老化0h、24h、72h、168h、336h時間節點取樣，開展電化學測試與微觀結構表征。

（四）測試與表征方法
電化學性能測試：采用電池測試系統進行恒流充放電測試（電壓范圍2.0-4.2V，電流密度0.1C）；利用電化學工作站開展交流阻抗測試（頻率10?2-10?Hz，振幅5mV）。
微觀結構表征：運用X射線衍射儀分析晶體結構演變；通過掃描電子顯微鏡觀察表面形貌變化；借助X射線光電子能譜儀解析表面元素化學態與界面組成。

二、結果與分析
（一）濕熱老化對電極材料電化學性能的影響
隨著老化時間延長與溫濕度升高，電極材料電化學性能顯著衰退。在工況3（70℃，90%RH）老化336h后，LiFePO?正極放電比容量由160mAh/g降至85mAh/g，容量保持率僅為53.1%；石墨負極庫倫效率由98.5%降至90.2%。交流阻抗測試表明，電極電荷轉移阻抗顯著增大，正極Rct由50Ω升至280Ω，負極Rct由30Ω增至180Ω，顯示濕熱環境嚴重阻礙電極反應動力學過程。

（二）濕熱老化對電極材料微觀結構的影響
正極材料：XRD結果顯示，高溫高濕促使LiFePO?晶格中鋰離子脫嵌過程失衡，引發晶格畸變與非晶化轉變。SEM圖像顯示正極表面出現裂紋與孔洞，活性物質顆粒發生團聚，歸因于水分滲透導致的界面剝離及高溫熱分解效應。
負極材料：石墨電極出現邊緣卷曲與層間剝離現象。XPS分析表明碳元素氧化態（C–O、C=O）比例顯著上升，證實濕熱環境誘發石墨氧化反應，破壞其層狀結構與鋰離子傳輸通道。

（三）性能衰退機理解析
電極材料在濕熱環境下的性能衰退主要由以下機制協同導致：
界面副反應加劇：水分與電極活性位點反應生成氫氧化物、碳酸鹽等界面屏障，阻礙鋰離子傳輸；同時水分促使電解液溶劑水解產生酸性物質，腐蝕電極與集流體界面。
活性物質結構衰變：高溫加速活性物質熱分解與相變過程，引發晶格坍塌與電化學活性喪失；水分侵入削弱活性物質與粘結劑結合力，導致活性物質脫落。
導電網絡退化：濕熱環境腐蝕導電劑，破壞電極內部導電通路，增大電子傳輸阻抗，降低電極反應效率。

三、結論
        本研究基于高低溫試驗箱系統模擬鋰電池電極材料的濕熱老化過程，明確了不同溫濕度條件下電極材料電化學性能與微觀結構的演化規律，揭示了界面副反應、結構衰變與導電網絡退化協同作用的性能衰退機制。研究成果為高環境適應性鋰電池的材料設計、界面優化與壽命評估提供了關鍵理論基礎。未來研究可聚焦于新型耐濕熱電極材料開發、功能化電解液設計及多尺度老化模型的構建，推動鋰電池在復雜工況下的可靠應用。