紐扣鋰電池失效原因的研究
來源：寶鄂實業(yè)
2020-04-11 19:01
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紐扣式鋰電池故障研究
【摘要】本文簡要介紹了鋰電池的基本故障模型及鋰電池的速率容量效應(yīng)。討論了紐扣式鋰電池的內(nèi)部自放電機理。
【關(guān)鍵詞】鋰電池;額定容量的影響;自放電;隔膜穿刺;點焊鋰離子電池的失效形式主要有:容量衰減、泄放或泄漏、集液腐蝕、熱失控等。其中容量衰減是最常見的失效模式，其原因有很多:在電極中，反復(fù)充放電降低了電極的活性表面積，增加了電流密度，增加了極化;在電解質(zhì)溶液中，電解質(zhì)或?qū)щ婝}的分解導(dǎo)致其電導(dǎo)率下降，分解導(dǎo)致界面鈍化。此外，隔膜被阻塞或損壞，電池內(nèi)部短路也會縮短電池壽命。
1. 鋰電池故障模型
目前的研究認為，溫度和工作電流是加速鋰離子電池容量衰減的兩個重要應(yīng)力。在相同溫度條件下，鋰離子電池壽命與放電電流的關(guān)系基本遵循以電應(yīng)力為加速度變量的加速度模型:
式(1)是鋰離子電池的基本失效模型。在對數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)中，鋰離子電池的故障和放電電流也是線性的。
2. 鋰電池的速率容量效應(yīng)
鋰電池具有速率容量效應(yīng)，即電池的實際容量會隨著負載的變化而變化。負載越大，電池的容量就越小。其原理是電池的壽命在很大程度上取決于負極上反應(yīng)區(qū)的狀態(tài)。在小電流穩(wěn)定放電的條件下，反應(yīng)區(qū)均勻分布在負極上，可以充分發(fā)揮作用。然而,當(dāng)電池大電流放電在某些時候,負電極表面的反應(yīng)區(qū)域inuniformly所覆蓋,導(dǎo)致一些活躍的斑點內(nèi)層的不能參與反應(yīng),這將導(dǎo)致電池在高放電率很快失去權(quán)力。
3.鋰電池自放電
鋰電池的自放電也會導(dǎo)致電池容量的不可逆損耗，這可能是由于電池內(nèi)部的一系列不可逆反應(yīng)造成的。
陽極與電解液之間的不可逆反應(yīng)(相對來說，主要發(fā)生在錳酸鋰和鎳酸鋰這兩種容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷的材料中，如電解液中的鋰離子與錳酸鋰陽極之間的反應(yīng))。陰極材料與電解液的不可逆反應(yīng)(形成的SEI是為了保護陽極免受電解液的腐蝕)。不可逆反應(yīng)是由電解質(zhì)本身的雜質(zhì)和O2在溶劑中的反應(yīng)引起的。類似的反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)地消耗鋰離子的電解質(zhì)，從而失去電池容量。其中，電解質(zhì)中雜質(zhì)的不可逆反應(yīng)尤為常見。
此外，在電池的制造過程中，雜質(zhì)引起的微短路也會引起不可逆反應(yīng)，這是單個電池自放電量大的最重要原因。空氣中的粉塵或金屬粉末在電極、隔膜的生產(chǎn)過程中會引起電池中的小短路。由于完全無塵生產(chǎn)是不可能的，這種可能性是不可避免的。當(dāng)灰塵不足以穿透隔膜并與正極和負極發(fā)生短路接觸時，對電池的影響不大;但當(dāng)粉塵嚴(yán)重到足以穿透隔膜時，對電池的影響是明顯的。由于刺穿隔膜的“學(xué)位”的存在,當(dāng)測試大量的電池的自放電率,通常發(fā)現(xiàn)大多數(shù)電池的自放電率集中在一個小范圍內(nèi),而只有少量的電池的自放電率顯著提高,小心翼翼地分布。這些是隔膜被刺穿的電池。
