为何锂离子电池的最大电压不能超过4.2v?

为何锂离子电池的最大电压不能超过4.2v?

能量密度是描述锂离子电池储能大小的参数，它近似等于电压与锂离子电池容量的乘积。为了有效提高锂离子电池的存储容量，人们通常采用新增电池容量的方法来达到这一目的。然而，由于所使用材料的性质，容量的新增总是有限的，所以新增电压值成为提高锂离子电池存储容量的另一种方式。如你所知，锂离子电池的额定电压为3.6v或3.7v，最大电压为4.2v。那么，为何锂离子电池不能取得更大的突破呢?最终，这也是由锂离子电池的材料和结构特性决定的。

锂离子电池的电压是由电极电位决定的。电压，又称电位差或电位差，是测量静电场中不同电位引起的能量差的物理量。锂离子的电极电位约为3V，锂离子电池的电压随材料的不同而不同。例如，一般锂离子电池额定电压为3.7V，满压为4.2V;磷酸铁锂离子电池的额定电压为3.2v，满电压为3.65v。换句话说，实际锂离子电池的正极和负极之间的电位差不能超过4.2v，这是基于材料和安全性的要求。

取Li/Li+的参考电位，设A为阴极材料的相对电化学电位，C为阳极材料的相对电化学电位。电解质电位区间Eg是电解质的最低电子未占据能级与最高电子占据能级之差。因此，锂离子电池的最高电压值由三个因素决定:A、C、Eg。

相A与相C的差别是锂离子电池的开路电压(最大电压)，当在Eg范围内时，保证了电解液的正常工作。正常工作是指锂离子电池通过电解液在正负电极之间来回移动，但不与电解液发生氧化还原，以保证电池结构的稳定性。正极和负极材料的电化学电位导致电解液以两种形式异常工作:

1.当负极的电化学势高于最低electron-free电解质的能级,负电极的电子将会被电解液,电解液会氧化,反应产物将形成一个固液界面层的粒子表面的负电极,这可能导致负电极的毁灭。

2.当正极的电化学电位低于电解液的最高电子占据水平时，电解液中的电子会被正极捕获，并被电解液氧化。反应产物在正电极颗粒表面形成固液界面层，可能导致正电极的破坏。

然而，正极或负极破坏的可能性阻止了电子在电解质和正极或负极之间进一步移动，并保护了电极材料。换句话说，较轻的固液界面层具有保护用途。这种保护的前提是阳极和阴极的电化学电位可以略大于Eg区间，但不会太大。现在,例如,锂离子电池负极材料大多是使用石墨,是由于石墨相关于李/李+电极的电化学势约为0.2V,稍微超出了如间隔(1V~4.5V),但由于保护固液界面层,使电解质不会进一步减少,停止极化反应的发展。但5V高压阴极材料超出了商用有机电解质的Eg区间，在充放电过程中容易被氧化。随着充放电次数的新增，容量减小，使用寿命缩短。

现在了解到锂离子电池的开路电压被选为4.2V,因为现有的商用锂离子电池电解质如范围从1V4.5V,假如能够设置的开路电压4.5V锂离子电池输出功率,还新增电池过度充电的风险和超载的危害相当大的数据显示