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锂电池厂家:常见的锂电池失效表现和失效机理是怎么样的

锂电池厂家:常见的锂电池失效表现和失效机理是怎么样的

来源:
2021/01/05 15:45
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【摘要】:
研究动力电池系统的故障模式,提高电池寿命,电动车的安全性和可靠性,电动车使用成本具有重要意义。本文从外部动力电池系统性能故障模式探索和后果进行了分析并提出了相应的处理措施。动力电池系统设计时考虑的各种失效模式为了提高动力电池安全。动力电池系统通常由一个电池,电池管理系统,包含功能组件包,线束、结构和相关的形式。动力电池系统失效模式、失效模式可以分为三个不同层次,即电池失效模式、失效模式、电池管理系统方案系统集成模式。

  容量衰减失效

  标准循环寿命测试时,循环次数达到500次时放电容量应不低于初始容量的90%。或者循环次数达到1000次时放电容量不应低于初始容量的80%,若在标准循环范围内,容量出现急剧下降现象均属于容量衰减失效。

  电池容量衰减失效的根源锂电池厂家在于材料的失效,同时与电池制造工艺、电池使用环境等客观因素有紧密联系。从材料角度看,造成失效的原因重要有正极材料的结构失效、负极表面SEI过渡生长、电解液分解与变质、集流体腐蚀、体系微量杂质等。

  正极材料的结构失效:正极材料结构失效包括正极材料颗粒破碎、不可逆相转变、材料无序化等。LiMn2O4在充放电过程中会因Jahn-Teller效应导致结构发生畸变,甚至会发生颗粒破碎,造成颗粒之间的电接触失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放电过程中会发生四方晶系-立方晶系相转变,LiCoO2材料在充放电过程中由于Li的过渡脱出会导致Co进入Li层,造成层状结构混乱化,制约其容量发挥。

  负极材料失效:石墨电极的失效重要发生在石墨表面,石墨表面与电解液反应,生产固态电解质界面相(SEI),假如过度生长会导致电池内部体系中锂离子含量降低,结果就是导致容量衰减。硅类负极材料的失效重要在于其巨大的体积膨胀导致的循环性能问题。

  电解液失效:LiPF6稳定性差,容易分解使电解液中可迁移Li+含量降低。它还容易和电解液中的痕量水反应生成HF,造成电池内部被腐蚀。气密性不好引起电解液变质,电解液黏度和色度都发生变化,最终导致传输离子性能急剧下降。

  集流体的失效:集流体腐蚀、集流体附着力下降。上述电解液失效生成的HF会对集流体造成腐蚀,锂电池厂家生成导电性差的化合物,导致欧姆接触增大或活性物质失效。充放电过程中Cu箔在低电位下被溶解后,沉积在正极表面,这就是所谓的析铜。集流体失效常见的形式是集流体与活性物之间的结合力不够导致活性物质剥离,不能为电池供应容量。

  内阻增大

  内阻增大会伴随有能量密度下降、电压和功率下降、电池产热等失效问题。导致锂离子电池内阻增大的重要因素分为电池关键材料和电池使用环境。

  电池关键材料:正极材料的微裂纹与破碎、负极材料的破坏与表面SEI过厚、电解液老化、活性物质与集流体脱离、活性物质与导电添加剂的接触变差(包括导电添加剂的流失)、隔膜缩孔堵塞、电池极耳焊接异常等。

  电池使用环境:环境温度过高/低、过充过放、高倍率充放、制造工艺和电池设计结构等。

  内短路

  内短路往往会引起锂离子电池的自放电,容量衰减,局部热失控以及引起安全事故。

  铜/铝集流体之间的短路:电池生产或使用过程中未修剪的金属异物穿刺隔膜或电极、电池封装中极片或极耳发生位移引起正、负集流体接触引起的。

  隔膜失效引起的短路:隔膜老化、隔膜塌缩、隔膜腐蚀等会导致隔膜失效,锂电池厂家失效隔膜失去电子绝缘性或空隙变大使正、负极微接触,然后出现局部发热严重,继续充放电会向四周扩散,导致热失控。

  杂质导致短路:正极浆料中过渡金属杂质未除干净会导致刺穿隔膜或促使负极锂枝晶生成导致内短路。

  锂枝晶引起的短路:长循环过程中局部电荷不均匀的地方会出现锂枝晶,枝晶透过隔膜导致内短路。

  电池设计制造或电池组组装过程上,设计不合理或局部压力过大也会导致内短路。电池过冲和过放的诱导下也会出现内短路。

  产气

  在电池化成工艺过程中消耗电解液形成稳定SEI膜所发生的产气现象为正常产气,但是过渡消耗电解液释放气体或正极材料释氧等现象属于异常放气。常出现在中,会造成电池内部压力过大而变形、撑破封装铝膜、内部电芯接触问题等。

  正常电芯与失效电芯气体成分分析

  锂电池厂家电解液中的痕量水分或电极活性材料未烘干,导致电解液中锂盐分解出现HF,腐蚀集流体Al以及破坏黏结剂,出现氢气。不合适电压范围导致的电解液中链状/环状酯类或醚类会发生电化学分解,会出现C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、CO2等。

  热失控

  热失控是指锂离子电池内部局部或整体的温度急速上升,热量不能及时散去,大量积聚在内部,并诱发进一步的副反应。诱发锂离子电池热失控的因素为非正常运行条件,即滥用、短路、倍率过高、高温、挤压以及针刺等。

  电池内部常见的热行为

  析锂

  析锂即在电池的负极表面析出金属锂,是一种常见的锂离子电池老化失效现象。析锂会使电池内部活性锂离子减少,出现容量衰竭,而且会形成枝晶刺穿隔膜,就会导致局部电流和产热过大,最终造成电池安全性问题。