解析鋰電池失效原因
來源：未知
2019-09-24 10:46
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失效原因
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，研究失效過程中的熱力學、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。
常見失效表現(xiàn)及其失效機理分析
（1）容量衰減
容量衰減主要分可逆容量衰減和不可逆容量衰減兩類?？赡嫒萘克p可以通過調(diào)整電池充放電制度和改善電池使用環(huán)境等措施使損失的容量恢復；而不可逆容量衰減是電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的改變產(chǎn)生了不可恢復的容量損失。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。
（2）內(nèi)阻增大
鋰離子電池的內(nèi)阻與電池體系內(nèi)部電子傳輸和離子傳輸過程有關(guān)，主要分為歐姆電阻和極化內(nèi)阻，其中極化內(nèi)阻主要由電化學極化導致，存在電化學極化和濃差極化兩種。導致鋰離子電池內(nèi)阻增大的主要因素分為電池關(guān)鍵材料和電池使用環(huán)境。中國科學技術(shù)大學闕永春等利用同步輻射技術(shù)提出過渡元素的跳躍機理是電勢滯后和電壓衰減的原因，說明了在電池體系內(nèi)部，關(guān)鍵材料的異常是內(nèi)阻增大和電池極化的根本影響因素。
（3）內(nèi)短路
短路的表現(xiàn)可分為：①銅/鋁集流體之間的短路；②隔膜失效失去電子絕緣性或空隙變大使正、負極微接觸，出現(xiàn)局部發(fā)熱嚴重，再進一步充放電過程中，可能向四周擴散，形成熱失控；③正極漿料中過渡金屬雜質(zhì)未去除干凈，刺穿隔膜、或促使負極鋰枝晶生成導致內(nèi)短路；④鋰枝晶導致內(nèi)短路的發(fā)生。此外，在電池設(shè)計制造或電池組組裝過程上，不合理的設(shè)計和局部壓力過大也會導致內(nèi)短路。電池過充和過放，也會出現(xiàn)內(nèi)短路，主要是由于其中集流體腐蝕，在電極表面出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，嚴重的情況會通過隔膜連通正負極。
（4）產(chǎn)氣
鋰離子電池產(chǎn)氣主要分為正常產(chǎn)氣與異常產(chǎn)氣。在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩(wěn)定SEI膜所發(fā)生的產(chǎn)氣現(xiàn)象為正常產(chǎn)氣?；呻A段產(chǎn)氣主要為由酯類單/雙電子反應產(chǎn)生H2、CO2、C2H2等。異常產(chǎn)氣主要是只在電池循環(huán)過程中，過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象，常出現(xiàn)在軟包電池中，造成電池內(nèi)部壓力過大而變形、撐破封裝鋁膜、內(nèi)部電芯接觸問題等。
（5）熱失控
熱失控是指鋰離子電池內(nèi)部局部或整體的溫度急速上升，熱量不能及時散去，大量積聚在內(nèi)部，并誘發(fā)進一步的副反應。為了防止鋰離子電池因熱失控造成嚴重的安全問題，常采用PTC、安全閥、導熱膜等措施，同時在電池的設(shè)計、電池制造過程、電池管理系統(tǒng)、電池使用環(huán)境等方面都需要進行系統(tǒng)性的考慮。
（6）析鋰
析鋰是一種比較常見的鋰離子電池老化失效現(xiàn)象。表現(xiàn)形式主要是負極極片表面出現(xiàn)一層灰色、灰白色或者灰藍色物質(zhì)，這些物質(zhì)是在負極表面析出的金屬鋰。清華大學張強等指出影響枝晶生長的主要因素為電流密度、溫度和電量，通過加入電解液添加劑、人造SEI、高鹽濃度電解液、結(jié)構(gòu)化負極、優(yōu)化電池構(gòu)型設(shè)計等措施來抑制枝晶的生長。
鋰離子電池應用領(lǐng)域十分廣泛，小至手機電腦等移動終端，大到電動公交和大規(guī)模儲能。自從國內(nèi)外發(fā)生的多起手機電動汽車的起火爆炸事故后，可靠性安全性與其性能一樣重要。但中國失效分析雖在機械領(lǐng)域和航空領(lǐng)域得到系統(tǒng)性的發(fā)展，而在鋰電池領(lǐng)域還未得到系統(tǒng)的研究，仍面臨很多問題。雖然電池企業(yè)及材料企業(yè)也各自開展了鋰離子電池失效分析的研究，但多偏重于電池制造工藝和材料的研發(fā)制備，以提高電池性能、降低電池成本為直接目標。希望未來研究院所與相關(guān)企業(yè)加強合作交流，建立完善的鋰離子電池失效故障樹和失效分析流程。
