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为什麼锂離子電池會失效?锂離子電池失效原因有哪些?

来源:寶鄂實业    2019-04-12 07:44    點擊量:
1. 锂離子電池失效表現及失效機理
(1)容量衰減:離子電池的容量衰減主要分可逆容量衰減和不可逆容量衰減兩類。可逆容量衰減可以通過調整電池充放電制度和改善電池使用環境等措施使損失的容量恢複; 而不可逆容量衰減是電池内部發生不可逆的改變産生了不可恢複的容量損失。電池容量衰減失效的根源在于材料的失效,同時與電池制造工藝、電池使用環境等客觀因素有緊密聯系。從材料角度看,造成失效的原因主要有正極材料的結構失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質、集流體腐蝕、體系微量雜質等。
(2)内阻增大:锂離子電池的内阻與電池體系内部電子傳輸和離子傳輸過程有關,主要分为歐姆電阻和極化内阻,其中極化内阻主要由電化学極化導致,存在電化学極化和濃差極化兩種。導致锂離子電池内阻增大的主要因素分为電池關鍵材料和電池使用環境。中國科学技術大学阙永春等利用同步輻射技術提出過渡元素的跳躍機理是電勢滞後和電壓衰減的原因: 說明了在電池體系内部,關鍵材料的異常是内阻增大和電池極化的根本影響因素。
(3)内短路:短路的表現可分为:①銅/鋁集流體之間的短路;②隔膜失效失去電子絕緣性或空隙變大使正、負極微接觸,出現局部發熱嚴重,再進一步充放電過程中,可能向四周擴散,形成熱失控;③正極漿料中過渡金屬雜質未去除幹淨,刺穿隔膜、或促使負極锂枝晶生成導致内短路;④锂枝晶導致内短路的發生。此外,在電池設計制造或電池組組裝過程上,不合理的設計和局部壓力過大也會導致内短路。例如由韓國媒體SBS報道Samsung Note7起火爆炸原因中指出内部擠壓導致的正、負極接觸導致内短路,進而引起電池的熱失控。電池過充和過放的誘導下,也會出現内短路,主要是由于其中集流體腐蝕,在電極表面出現沉積現象,嚴重的情況會通過隔膜連通正負極,如圖2所示。
 
(4)産氣:锂離子電池産氣主要分为正常産氣與異常産氣。在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩定SEI膜所發生的産氣現象为正常産氣。化成階段産氣主要为由酯類單/雙電子反應産生了H2、CO2、C2H2等。異常産氣主要是隻在電池循環過程中,過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現象,常出現在軟包電池中,造成電池内部壓力過大而變形、撐破封裝鋁膜、内部電芯接觸問題等。
(5)熱失控:熱失控是指锂離子電池内部局部或整體的溫度急速上升熱量不能及時散去,大量積聚在内部,并誘發進一步的副反應。表1列出了锂離子電池内部常見的熱行为。为了防止锂離子電池在熱失控造成嚴重的安全問題,常采用PTC、安全閥、導熱膜等措施,同時在電池的設計、電池制造過程、電池管理系統、電池使用環境等方面都需要進行系統性的考慮。
 
(6)析锂:析锂是一種比較常見的锂離子電池老化失效現象。表現形式主要是負極極片表面出現一層灰色、灰白色或者灰藍色物質,这些物質是在負極表面析出的金屬锂。圖3是常見的析锂現象。圖4從兩方面分析了電池出現析锂現象的原因,并将析锂的産生與電芯制造工藝、電池使用環境(包括充放電制度和充放電環境)等因素結合分析。清華大学張強等指出影響枝晶生長的主要因素为電流密度、溫度和電量,通過加入電解液添加劑、人造SEI、高鹽濃度電解液、結構化負極、优化電池構型設計等措施来抑制枝晶的生長。
 
锂離子電池的失效主要從以下幾個方向:組成材料、設計制造、使用環境。從組成材料角度,可以将各種失效現象歸于電池組成材料上。圖5所示正負極材料的性質與電池性能的多對多關系。圖6为锂離子電池使用條件、失效機制和失效現象三者的關系圖。
 
2. 失效分析常見的測試分析方法
锂離子電池失效分析是源于電池測試分析技術,卻區别一般檢測中心的檢測分析。失效分析的測試分析是建立在實際具體案例上,對不同的失效現象設計恰當的失效策略,選擇合适的測試手段,高效準确獲得電池失效分析原因。
 
圖7为股票配资世界内部關鍵材料涉及到的測試方法。为了實現失效分析在實際應用中推廣,某些不具有普适性和易推廣性的測試技術應盡量避免,如EXAFS、ABF-STEM等。为此,将測試内容分为必要測試和輔助測試,如表2列出了一些常用的失效分析測試分析技術。为保證锂離子電池失效分析的準确性、時效性、連貫性,中科院物理所股票配资世界失效分析團隊依托該所清潔能源實验室,搭建了互聯互通惰性氣氛電池測試分析平台。一款失效的锂離子電池可以從電池拆解、副産物的收集、關鍵材料的各種分析到剩餘材料的封裝留存整個過程都可以在手套箱中有條不紊的進行,避免了多次轉移使電池材料污染、變性、失效。圖8是互聯互通惰性氣氛測試分析平台的示意圖。
 
3. 失效分析流程的設計
對單體電池失效分析的一般途徑可概括为電池外觀檢測、電池無損檢測、電池有損檢測以及綜合分析報告四個分析階段,如圖9。每個分析階段的測試内容和方法則根據電池的失效
表現進行選擇和組合。但是为了优化測試路徑,可将電池失效現象分類歸納,設計失效分析流程,如圖10所示,将不同的失效現象對應不同的失效分析,这樣可以縮短分析周期。