鋰電池失效的分類及原因分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-02-17 14:39
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在能源危機和環(huán)境污染的大背景下，鋰離子電池作為21世紀發(fā)展的理想能源，受到越來越多的關(guān)注。但鋰離子電池在生產(chǎn)、運輸、使用過程中會出現(xiàn)某些失效現(xiàn)象。而且單一電池失效之后會影響整個電池組的性能和可靠性，甚至?xí)?dǎo)致電池組停止工作或其他安全問題。
近年來國內(nèi)外發(fā)生了多起與電池相關(guān)的起火爆炸事故：美國特斯拉ModelS電動汽車起火事故、SamsungNote7手機電池起火事故、武漢孚特電子廠房起火、天津SamsungSDI工廠起火等……
1鋰電池失效的分類
為了避免上述出現(xiàn)的性能衰減和電池安全問題，開展鋰電池失效分析勢在必行。鋰電池的失效是指由某些特定的本質(zhì)原因?qū)е码姵匦阅芩p或使用性能異常，分為性能失效和安全性失效。
2鋰電池失效的原因
鋰電池失效的原因可以分為內(nèi)因和外因。
內(nèi)因主要指的是失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì)，研究尺度可以追溯到原子、分子尺度，研究失效過程的熱力學(xué)、動力學(xué)變化。
外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素。
3鋰電池常見的失效表現(xiàn)及其失效機理分析
容量衰減失效
“標準循環(huán)壽命測試時，循環(huán)次數(shù)達到500次時放電容量應(yīng)不低于初始容量的90%。或者循環(huán)次數(shù)達到1000次時放電容量不應(yīng)低于初始容量的80%”，若在標準循環(huán)范圍內(nèi)，容量出現(xiàn)急劇下滑現(xiàn)象均屬于容量衰減失效。
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(huán)境等客觀因素有緊密聯(lián)系。從材料角度看，造成失效的原因主要有正極材料的結(jié)構(gòu)失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。
正極材料的結(jié)構(gòu)失效：正極材料結(jié)構(gòu)失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉(zhuǎn)變、材料無序化等。LiMn2O4在充放電過程中會因Jahn-Teller效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，甚至?xí)l(fā)生顆粒破碎，造成顆粒之間的電接觸失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放電過程中會發(fā)生“四方晶系-立方晶系”相轉(zhuǎn)變，LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會導(dǎo)致Co進入Li層，造成層狀結(jié)構(gòu)混亂化，制約其容量發(fā)揮。
負極材料失效：石墨電極的失效主要發(fā)生在石墨表面，石墨表面與電解液反應(yīng)，生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)界面相(SEI)，如果過度生長會導(dǎo)致電池內(nèi)部體系中鋰離子含量降低，結(jié)果就是導(dǎo)致容量衰減。硅類負極材料的失效主要在于其巨大的體積膨脹導(dǎo)致的循環(huán)性能問題。
近年來國內(nèi)外發(fā)生了多起與電池相關(guān)的起火爆炸事故：美國特斯拉ModelS電動汽車起火事故、SamsungNote7手機電池起火事故、武漢孚特電子廠房起火、天津SamsungSDI工廠起火等……
1鋰電池失效的分類
為了避免上述出現(xiàn)的性能衰減和電池安全問題，開展鋰電池失效分析勢在必行。鋰電池的失效是指由某些特定的本質(zhì)原因?qū)е码姵匦阅芩p或使用性能異常，分為性能失效和安全性失效。
2鋰電池失效的原因
鋰電池失效的原因可以分為內(nèi)因和外因。
內(nèi)因主要指的是失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì)，研究尺度可以追溯到原子、分子尺度，研究失效過程的熱力學(xué)、動力學(xué)變化。
外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素。
3鋰電池常見的失效表現(xiàn)及其失效機理分析
容量衰減失效
“標準循環(huán)壽命測試時，循環(huán)次數(shù)達到500次時放電容量應(yīng)不低于初始容量的90%。或者循環(huán)次數(shù)達到1000次時放電容量不應(yīng)低于初始容量的80%”，若在標準循環(huán)范圍內(nèi)，容量出現(xiàn)急劇下滑現(xiàn)象均屬于容量衰減失效。
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(huán)境等客觀因素有緊密聯(lián)系。從材料角度看，造成失效的原因主要有正極材料的結(jié)構(gòu)失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。
正極材料的結(jié)構(gòu)失效：正極材料結(jié)構(gòu)失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉(zhuǎn)變、材料無序化等。LiMn2O4在充放電過程中會因Jahn-Teller效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，甚至?xí)l(fā)生顆粒破碎，造成顆粒之間的電接觸失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放電過程中會發(fā)生“四方晶系-立方晶系”相轉(zhuǎn)變，LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會導(dǎo)致Co進入Li層，造成層狀結(jié)構(gòu)混亂化，制約其容量發(fā)揮。
負極材料失效：石墨電極的失效主要發(fā)生在石墨表面，石墨表面與電解液反應(yīng)，生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)界面相(SEI)，如果過度生長會導(dǎo)致電池內(nèi)部體系中鋰離子含量降低，結(jié)果就是導(dǎo)致容量衰減。硅類負極材料的失效主要在于其巨大的體積膨脹導(dǎo)致的循環(huán)性能問題。
