Detailed analysis of the causes of lithium-ion battery capacity attenuation

Detailed analysis of the reasons for the capacity attenuation of lithium-ion batteries. The essential reason is that lithium-ion batteries have different embedding energies when embedding reactions occur between the two electrodes. In order to obtain the best performance of the battery, the capacity ratio of the two host electrodes should maintain a balanced value. In lithium-ion batteries, the capacity balance is expressed as the mass ratio of the positive electrode to the negative electrode, that is: γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+, where C refers to the theoretical coulomb capacity of the electrode, and Δx and Δy refer to the stoichiometric number of lithium ions embedded in the negative electrode and the positive electrode, respectively. As can be seen from the above formula, the mass ratio required for the two poles depends on the corresponding coulomb capacity of the two poles and the number of reversible lithium ions in each pole. Generally speaking, a smaller mass ratio leads to incomplete utilization of the negative electrode material; a larger mass ratio may pose a safety hazard due to overcharging of the negative electrode. In short, the battery performance is best at the optimized mass ratio. For an ideal Li-ion battery system, the capacity balance does not change during its cycle, and the initial capacity in each cycle is a certain value, but the actual situation is much more complicated. Any side reaction that can produce or consume lithium ions or electrons may cause a change in the battery capacity balance. Once the battery capacity balance state changes, this change is irreversible and can accumulate through multiple cycles, which has a serious impact on battery performance. In lithium-ion batteries, in addition to the redox reaction that occurs when lithium ions are inserted and removed, there are also a large number of side reactions, such as electrolyte decomposition, active material dissolution, and metal lithium deposition, as shown in Figure 1. Arora et al. [3] compared these capacity decay processes with the discharge curve of the half-cell, so that we can clearly see the possibility and cause of capacity decay during battery operation, as shown in Figure 2.