中國粉體網(wǎng)訊  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，甚至會導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Model S電動汽車起火事故,、Samsung Note7手機電池起火事故、武漢孚特電子廠房起火,、天津Samsung SDI工廠起火等……

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�減或使用性能異常,，分為性能失效和安全性失效,。

常見鋰電池失效的分類

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,。

鋰電池失效的內(nèi)部情況

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%,。或者循環(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(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效應導致結(jié)構(gòu)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,。LiMn_1.5Ni_0.5O₄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,，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(jié)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水反應生成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(jié)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(guān)鍵材料和電池使用環(huán)境,。

電池關(guān)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(shè)計結(jié)構(gòu)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(shè)計制造或電池組組裝過程上,，設(shè)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。

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,，但是過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象屬于異常放氣,。常出現(xiàn)在軟包電池中，會造成電池內(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,。

正常電芯與失效電芯氣體成分分析

電解液中的痕量水分或電極活性材料未烘干,，導致電解液中鋰鹽分解產(chǎn)生HF,，腐蝕集流體Al以及破壞黏結(jié)劑，產(chǎn)生氫氣,。不合適電壓范圍導致的電解液中鏈狀/環(huán)狀酯類或醚類會發(fā)生電化學分解,，會產(chǎn)生C₂H₄、C₂H₆,、C₃H₆,、C₃H₈、CO₂等,。

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,。誘發(fā)鋰電池熱失控的因素為非正常運行條件，即濫用,、短路,、倍率過高、高溫,、擠壓以及針刺等,。

電池內(nèi)部常見的熱行為

析鋰

析鋰即在電池的負極表面析出金屬鋰，是一種常見的鋰電池老化失效現(xiàn)象,。析鋰會使電池內(nèi)部活性鋰離子減少,，出現(xiàn)容量衰竭，而且會形成枝晶刺穿隔膜,，就會導致局部電流和產(chǎn)熱過大,，最終造成電池安全性問題。

失效電池常見析鋰圖片

中國失效分析已在機械領(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,。電池企業(yè)及材料企業(yè)各自開展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。未來研究院所與相關(guān)企業(yè)可加強合作交流,，力求建立與完善的鋰離子電池失效故障樹和失效分析流程,。

主要參考文獻：王其鈺等《鋰離子電池失效分析概述》