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锂离子电池失效的重要原因是活性物质(锂离子电池的失效机制有哪些)

锂离子电池失效的重要原因是活性物质(锂离子电池的失效机制有哪些) 导致锂电池失效的因素有哪些?

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。

电池环境:环境温度过高/过低、过充过放、高倍率充放电、制造工艺和电池设计结构等。

内部短路

内部短路常造成锂离子电池自放电、容量衰减、局部热失控和安全事故。

铜/铝集流体间短路:是由于电池在生产或使用过程中,未修剪的金属异物刺破隔膜或电极,导致正负极集流体接触,电池包装内极片或极耳发生位移而引起的。

隔膜失效引起的短路:隔膜老化、隔膜塌陷、隔膜腐蚀等。会导致隔膜失效,失效的隔膜失去电子绝缘或空的间隙成为正负极的微接触,然后局部发热剧烈,不断充放电向四周扩散,导致热失控。

杂质引起的短路:如果正极浆料中的过渡金属杂质没有完全去除,会导致刺破隔膜或促进负极锂枝晶的生成,造成内部短路。

锂枝晶造成的短路:长循环时,局部电荷不均匀的地方会出现锂枝晶,枝晶会穿透隔膜造成内部短路。

在电池设计制造或电池组组装过程中,设计不合理或局部压力过大也会导致内部短路。在电池过冲和过放的诱导下也会发生内部短路。

产气

在电池化成过程中,消耗电解液形成稳定的SEI膜而产生的产气现象为正常产气,而过度消耗电解液释放气体或阴极材料释放氧气的现象为异常产气。经常出现在软包电池中,会造成电池内压过大变形,包装铝膜破裂,内部电芯接触问题等。

正常电池和失效电池的气体成分分析

电解质或电极活性材料中的微量水分没有干燥,这导致电解质中的锂盐分解产生HF,HF腐蚀集电器al并破坏粘合剂,产生氢气。电解液中的链状/环状酯或醚会因电压范围不合适而发生电化学分解,产生C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、CO2等。

热致击穿

热失控是指锂离子电池内部温度迅速上升,热量无法及时散发,内部积累大量热量,诱发进一步副反应。诱发锂电池热失控的因素有不正常的工作条件,如滥用、短路、倍率过大、高温、挤压、针刺等。

电池中常见的热行为

锂沉淀

锂析出是金属锂在电池负极表面析出,是锂电池老化失效的常见现象。锂析出会减少电池中的活性锂离子,导致容量耗尽,形成枝晶刺破隔膜,导致局部电流过大,发热,最终导致电池安全问题。

失效电池常见的锂沉淀图片

中国的失效分析在机械、航空空等领域已经有了系统的发展,但在锂电池领域还没有。电池企业和材料企业分别开展锂离子电池失效分析的研究,但大多集中在电池制造工艺和材料的研发上,直接目标是提高电池性能和降低电池成本。今后,研究所和相关企业可以加强合作与交流,努力建立和完善锂离子电池的失效树和失效分析流程。

 
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