Каковы классификации отказов литиевой батареи и причины отказа?

В условиях энергетического кризиса и загрязнения окружающей среды литий-ионные батареи привлекают все больше внимания как идеальный источник энергии для развития 21 века. Однако литий-ионные аккумуляторы могут выходить из строя во время производства, транспортировки и использования. Более того, отказ одной батареи может повлиять на производительность и надежность всего батарейного блока и даже может привести к прекращению работы батарейного блока или другим проблемам с безопасностью.

В последние годы произошло много несчастных случаев, связанных с возгоранием и взрывами аккумуляторных батарей, в стране и за рубежом: авария с возгоранием электромобиля Tesla ModelS в США, авария с пожаром аккумулятора мобильного телефона SamsungNote7, пожар на заводе электроники Fute в Ухане, пожар на заводе SDI в Тяньцзине. , так далее.

1 Классификация отказов литиевых батарей

Чтобы избежать ухудшения рабочих характеристик и проблем с безопасностью батареи, упомянутых выше, необходимо обязательно провести анализ отказа литиевой батареи. Отказ литиевой батареи относится к ухудшению производительности и нарушению безопасности, вызванному определенными конкретными существенными причинами ухудшения производительности батареи или отклонением от нормы.

2 Выход из строя литиевой батареи

Причины выхода из строя литиевых батарей можно разделить на внутренние и внешние.

Внутренние факторы в основном относятся к физическим и химическим изменениям отказа. Масштаб исследований можно проследить до атомных и молекулярных масштабов, а также изучаются термодинамика и динамика процесса разрушения.

К внешним факторам относятся такие внешние факторы, как удар, иглоукалывание, коррозия, высокотемпературное возгорание и вандализм.

3 Анализ общих характеристик отказа и механизма отказа литиевой батареи

Неисправность затухания емкости

"При испытании на срок службы стандартного цикла разрядная емкость должна быть не менее 90% начальной емкости, когда количество циклов достигает 500. Или разрядная емкость не должна быть менее 80% начальной емкости, когда количество циклов достигает 1000 ", если в диапазоне стандартного цикла резкое снижение емкости является отказом ослабления емкости.

Основная причина уменьшения емкости батареи - это повреждение материалов, и она тесно связана с объективными факторами, такими как процесс производства батареи и среда использования батареи. С материальной точки зрения основными причинами отказа являются структурное разрушение материала положительного электрода, рост SEI-перехода поверхности отрицательного электрода, разложение и ухудшение электролита, коррозия токосъемника и следы примесей в системе.

Разрушение структуры материала положительного электрода: разрушение структуры материала положительного электрода включает разрушение частиц материала положительного электрода, необратимый фазовый переход, беспорядок материала и т.п. LiMn2O4 будет искажаться из-за эффекта Яна-Теллера во время зарядки и разрядки, и даже произойдет разрушение частиц, что приведет к нарушению электрического контакта между частицами. Материал LiMn1.5Ni0.5O4 претерпевает фазовый переход «тетрагонально-кубическая система» во время заряда и разряда. Материал LiCoO2 приведет к переходу Co в слой Li из-за перехода Li во время заряда и разряда, что приведет к хаотической структуре слоя, ограничивающей его способность играть.

Разрушение материала анода: выход из строя графитового электрода в основном происходит на поверхности графита, и поверхность графита реагирует с электролитом с образованием межфазной границы твердого электролита (SEI). Если чрезмерный рост приводит к снижению содержания ионов лития во внутренней системе батареи, результатом является снижение емкости. Неисправность анодных материалов на основе кремния в основном связана с проблемами циклической производительности, вызванными их огромным расширением объема.

Неисправность электролита: LiPF6 имеет плохую стабильность и легко разлагается, что снижает переносимое содержание Li + в электролите. Он также легко вступает в реакцию со следами воды в электролите с образованием HF, вызывая коррозию внутри батареи. Плохая воздухонепроницаемость приводит к ухудшению качества электролита, а также к изменению вязкости и цветности электролита, что в конечном итоге приводит к резкому снижению характеристик переноса ионов.

Выход из строя токоприемника: уменьшается коррозия коллектора и прилипание токоприемника. HF, образующийся в результате вышеуказанного разрушения электролита, вызывает коррозию токосъемника, что приводит к образованию плохо проводящего соединения, что приводит к увеличению омического контакта или выходу из строя активного материала. В процессе зарядки и разрядки медная фольга растворяется при низком потенциале и осаждается на поверхности положительного электрода. Это называется «осаждением меди». Распространенной формой отказа сбора жидкости является то, что сила связи между токосъемником и активным материалом недостаточна, чтобы вызвать отслаивание активного материала, и не может обеспечить емкость для батареи.

Повышенное внутреннее сопротивление

Увеличение внутреннего сопротивления литиевой батареи сопровождается отказами, такими как снижение плотности энергии, падение напряжения и мощности, а также тепловыделение батареи. Основными факторами, ведущими к увеличению внутреннего сопротивления литий-ионных аккумуляторов, являются ключевые материалы аккумулятора и среда, в которой аккумулятор используется.

Основные материалы аккумулятора: микротрещины и излом материала положительного электрода, повреждение материала отрицательного электрода и чрезмерное поверхностное повреждение электролита, старение электролита, отслоение активного материала от токосъемника, ухудшение контакта между активным материалом и токоприемником. проводящая добавка (включая потерю проводящих добавок), усадочное отверстие диафрагмы заблокировано, язычок батареи неправильно приварен и т.п.

Условия использования батареи: температура окружающей среды слишком высокая / низкая, избыточный заряд и чрезмерная разрядка, высокая скорость заряда и разряда, производственный процесс и конструкция батареи.

Внутреннее короткое замыкание

Внутреннее короткое замыкание часто вызывает саморазряд литий-ионного аккумулятора, ослабление емкости, локальный тепловой разгон и аварийные ситуации.

Короткое замыкание между медными / алюминиевыми токоприемниками: металлические инородные тела протыкают диафрагмы или электроды, которые не обрезаются во время производства или использования батареи, и смещение полюсных наконечников или выводов в корпусе батареи вызывает контакт между положительным и отрицательным токосъемниками.

Короткое замыкание, вызванное поломкой диафрагмы: старение диафрагмы, разрушение диафрагмы, коррозия диафрагмы и т. Д. Приведут к выходу из строя диафрагмы, повреждение диафрагмы приводит к потере электрической изоляции или зазору становится большим, в результате чего положительный и отрицательный полюса соприкасаются, а затем местная жара очень сильна, и заряд и разряд будут продолжать распространяться. , в результате чего жар выходит из-под контроля.

Загрязнения вызывают короткое замыкание: примеси переходных металлов в суспензии положительного электрода не очищаются, что может вызвать пробой сепаратора или вызвать образование дендритов отрицательного электрода, что вызовет внутреннее короткое замыкание.

Короткое замыкание, вызванное дендритами лития: дендриты лития появляются в местах, где локальные заряды неоднородны во время длительного цикла, и дендриты проходят через диафрагму, вызывая внутренние короткие замыкания.

Необоснованная конструкция или чрезмерное парциальное давление могут вызвать внутренние короткие замыкания при проектировании и производстве батарей или сборке батарей. Внутреннее короткое замыкание также может произойти из-за чрезмерного выброса батареи и чрезмерной разрядки.

Добыча газа

Явление образования газа, которое происходит, когда электролит образуется во время процесса формирования батареи для формирования стабильной пленки SEI, является нормальным образованием газа, но явление переходного расхода газа, выделяющего электролит, или выделения кислорода из материала положительного электрода, является аномальной дефляцией. Часто проявляясь в батареях в мягкой упаковке, она может вызвать чрезмерное внутреннее давление батареи, деформировать ее, сломать алюминиевую пленку упаковки и соприкоснуться с внутренней батареей.

Следы влаги в электролите или активном материале электрода не сушатся, что приводит к разложению литиевой соли в электролите с образованием HF, коррозии токосъемника А1 и разрушению связующего с образованием газообразного водорода. В диапазоне электролитов цепные / циклические сложные эфиры или простые эфиры в электролите могут разлагаться электрохимически, и могут образовываться C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2 и т.д.

Тепловой разгон

Термический разгон означает, что температура внутри литий-ионной батареи в отдельных местах или во всей ее части быстро повышается, тепло не может рассеиваться со временем, внутри него накапливается большое количество, и возникают дополнительные побочные реакции. Факторами, вызывающими тепловой разгон литиевых батарей, являются ненормальные условия эксплуатации, а именно неправильное обращение, короткое замыкание, сильное превышение, высокая температура, экструзия и акупунктура.

Обычное тепловое поведение внутри батареи

Литий

Осаждение лития - это осаждение металлического лития на поверхности отрицательного электрода батареи, которое является обычным явлением отказа из-за старения литиевых батарей. Осаждение лития уменьшит количество активных ионов лития в батарее, вызовет сбой емкости и приведет к образованию дендритов, пронизывающих мембрану, что приведет к локальному току и чрезмерному выделению тепла, что в конечном итоге вызовет проблемы с безопасностью батареи.

Анализ отказов Китая систематически разрабатывался в механической и аэрокосмической областях и не изучался систематически в области литиевых батарей. Компании-производители аккумуляторов и компании-производители материалов провели исследования по анализу отказов литий-ионных аккумуляторов, но большинство из них сосредоточены на процессах производства аккумуляторов, а также на исследованиях и разработках материалов, чтобы улучшить характеристики аккумуляторов и снизить затраты на аккумуляторы в качестве прямой цели. Будущие научно-исследовательские институты и связанные компании могут укрепить сотрудничество и обмены, а также стремиться создать и улучшить дерево отказов и процесс анализа отказов литий-ионных аккумуляторов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.