詳解鋰電池失效的因素
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-04 17:04
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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、動力學變化。
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次時放電容量應不低于初始容量的90%?；蛘哐h(huán)次數(shù)達到1000次時放電容量不應低于初始容量的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構失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。
正極材料的結構失效：
正極材料結構失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉變、材料無序化等。LiMn2O4在充放電過程中會因Jahn-Teller效應導致結構發(fā)生畸變，甚至會發(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”相轉變，LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會導致Co進入Li層，造成層狀結構混亂化，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，生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI），如果過度生長會導致電池內(nèi)部體系中鋰離子含量降低，結果就是導致容量衰減。硅類負極材料的失效主要在于其巨大的體積膨脹導致的循環(huán)性能問題。
電解液失效：
LiPF6穩(wěn)定性差，容易分解使電解液中可遷移Li+含量降低。它還容易和電解液中的痕量反應生成HF，造成電池內(nèi)部被腐蝕。氣密性不好引起電解液變質(zhì)，電解液黏度和色度都發(fā)生變化，最終導致傳輸離子性能急劇下滑。
集流體的失效：
集流體腐蝕、集流體附著力下降。上述電解液失效生成的HF會對集流體造成腐蝕，生成導電性差的化合物，導致歐姆接觸增大或活性物質(zhì)失效。充放電過程中Cu箔在低電位下被溶解后，沉積在正極表面，這就是所謂的“析銅”。集流體失效常見的形式是集流體與活性物之間的結合力不夠?qū)е禄钚晕镔|(zhì)剝離，不能為電池提供容量。
內(nèi)阻增大:
鋰電池內(nèi)阻增大會伴隨有能量密度下降、電壓和功率下降、電池產(chǎn)熱等失效問題。導致鋰離子電池內(nèi)阻增大的主要因素分為電池關鍵材料和電池使用環(huán)境。
電池關鍵材料：正極材料的微裂紋與破碎、負極材料的破壞與表面SEI過厚、電解液老化、活性物質(zhì)與集流體脫離、活性物質(zhì)與導電添加劑的接觸變差（包括導電添加劑的流失）、隔膜縮孔堵塞、電池極耳焊接異常等。
電池使用環(huán)境：環(huán)境溫度過高/低、過充過放、高倍率充放、制造工藝和電池設計結構等。
內(nèi)短路:
內(nèi)短路往往會引起鋰離子電池的自放電，容量衰減，局部熱失控以及引起安全事故。
銅/鋁集流體之間的短路：電池生產(chǎn)或使用過程中未修剪的金屬異物穿刺隔膜或電極、電池封裝中極片或極耳發(fā)生位移引起正、負集流體接觸引起的。
隔膜失效引起的短路：隔膜老化、隔膜塌縮、隔膜腐蝕等會導致隔膜失效，失效隔膜失去電子絕緣性或空隙變大使正、負極微接觸，然后出現(xiàn)局部發(fā)熱嚴重，繼續(xù)充放電會向四周擴散，導致熱失控。
雜質(zhì)導致短路：正極漿料中過渡金屬雜質(zhì)未除干凈會導致刺穿隔膜或促使負極鋰枝晶生成導致內(nèi)短路。
鋰枝晶引起的短路：長循環(huán)過程中局部電荷不均勻的地方會出現(xiàn)鋰枝晶，枝晶透過隔膜導致內(nèi)短路。電池設計制造或電池組組裝過程上，設計不合理或局部壓力過大也會導致內(nèi)短路。電池過沖和過放的誘導下也會出現(xiàn)內(nèi)短路。
