鋰離子電池在正負極材料的持續升級和電池結構的不斷優(yōu)化下，比能量已經(jīng)達到300Wh/kg左右，幾乎是現有體系的極限值了，要想繼續提升，那么富鋰電池材料成為可能，比容量可達250mAh/g以上，遠高于目前的三元材料，富鋰電池能夠實(shí)現400Wh/kg比能量的目標，然而富鋰材料在循環(huán)過(guò)程中面臨著(zhù)持續的電壓平臺衰降，這不僅僅會(huì )造成電池比能量的降低，還會(huì )影響電池管理系統BMS的正常運行。那么富鋰電池電壓衰減原因是什么呢?

一般認為富鋰電池材料的電壓平臺衰降主要是因為材料從層狀結構到尖晶石結構的轉變，但是最近通過(guò)先進(jìn)的檢測技術(shù)發(fā)現，在循環(huán)中富鋰材料中的過(guò)渡金屬元素的價(jià)態(tài)持續降低，例如Co元素的從最初的Co3+/4+轉變?yōu)?Co2+/3+，Mn元素也轉變?yōu)镸n3+/Mn4+，這些轉變直接導致了富鋰電池材料電壓平臺的持續衰降，同時(shí)循環(huán)過(guò)程中的o損失會(huì )引起結構缺陷，并在富鋰電池材料顆粒內部形成非常大的孔，這會(huì )進(jìn)一步降低富鋰材料的電壓平臺。

富鋰電池材料在循環(huán)中Mn和Co元素增加的容量彌補了Ni和O元素損失的容量，使得富鋰材料的整體容量沒(méi)有太大的變化，但是這些容量的組成部分卻發(fā)生了翻天覆地的變化，從O和Ni的氧化還原反應轉向Mn、Co的氧化還原反應會(huì )明顯的改變富鋰材料的電壓特性。這一點(diǎn)也可以從費米能級圖中得到解釋?zhuān)陂_(kāi)始的時(shí)候，富鋰材料的費米能級僅僅稍高于Ni2+/Ni3+，因此富鋰材料與金屬Li之間的電位差比較高，但是隨著(zhù)循環(huán)的進(jìn)行，富鋰材料表面的O發(fā)生了還原和析出，因此導致過(guò)渡金屬元素的價(jià)態(tài)降低，而表層的Ni元素會(huì )被首先還原，在材料的表面形成一層沒(méi)有活性的巖鹽結構，導致Ni元素提供的容量減少。而Mn和Co元素的還原則使得兩者分別發(fā)生Mn3+/Mn4+ 和Co2+/Co3+，從而使得費米能級顯著(zhù)提高，從而導致開(kāi)路電壓的降低。

富鋰電池材料在循環(huán)過(guò)程中的電壓衰降的主要原因不是層狀結構向巖鹽和尖晶石結構轉變，而是循環(huán)過(guò)程中過(guò)渡金屬價(jià)態(tài)的持續降低。隨著(zhù)循環(huán)次數的不斷增加，富鋰材料會(huì )不斷損失O，導致表面的Ni元素首先被還原形成巖鹽結構，失去活性，同時(shí)伴隨著(zhù)Mn和Co的反應價(jià)態(tài)持續下降，導致了富鋰材料電壓平臺的不斷降低。