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锂电池失效分析流程

更新时间:2024-06-28浏览:250次

电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,锂电池已经成为了主流.


锂电池测试分析流程



1.外观检查

对电池的外观进行检测,判断是否存在破损、腐蚀及燃烧过等影响完整性导致无法进行充放电的问题,也可以判断电池经历过的部分外部环境条件,如针刺、挤压、过热等。若不存在,可以继续进行无损检测;若存在,则难以进行电化学性能表征,只能进行部分原位测试表征或直接进行有损检测。

2.无损检测

确定电池完整,没有发生严重影响其工作或安全性的问题,可以对其进行电化学性能的测试,如对其剩余容量、内部阻抗等测试,通过电化学性能方面的测试可以获得一些关键数据以帮助判断其失效原因。此外,可以采用一些原位的测试方法在不破坏电池的条件下尽量多获得一些其内部的信息(如其内部是否有破损和内部活性材料的物相等),以帮助判断其失效的可能原因从而确定后续的测试表征方法。

3.有损检测

在通过判断外观有破损或完成无损检测后则是对电池进行拆解,获得其内部组件,然后进行针对性测试和表征。其中需要注意的是对组件的预处理方式,例如:①拆解电池时需要惰性气氛保护;②活性材料与集流体、黏结剂的分离及清洗;③隔膜上残留电解液去除时防止可能附着的副产物被去除;④拆解时电解液/气体的收集等。
拆解后的测试对象主要是正负极极片、隔膜、电解液、产生的气体、集流体和其他组件。其中对正负极极片需要对活性物质的性质 (形貌、结构、成分等)进行表征,然后将其组装扣式半电池进行性能 (克容量、阻抗等)测试。此外根据失效的表现可以分离黏结剂、活性材料等进行具体的分析。
隔膜则需要进行形貌和表面元素分析,另外可将其组装成扣式电池进行性能 (通过阻抗等分析其离子电导率)测试。对电解液、气体及可能获得的极片、隔膜表面残留物,则需要进行成分分析,结合分析电池内部可能发生的反应。

4.综合分析

完成有损检测后,结合对电池整体的性能(如果有)测试和对各组件的测试和表征,综合分析电池所发生的失效类型及造成的具体原因。

锂电池失效的主要原因



锂电池的失效原因主要可以分为两大类,一类是锂离子电池本身的制造缺陷等,而另一类则是外界环境(包括电池使用过程、工作环境等)。
锂电池本身原因:①性能衰减,正负极活性材料失效、隔膜老化、电解液消耗、黏结剂失效和集流体腐蚀等;②产气,组装时有残留痕量水、浆料中有其他活性杂质、集流体腐蚀等;③热失控,正极材料不稳定分解产生氧气与电解液反应放热、隔膜和外壳等组件无法快速散热导致热积聚;④内短路,组装时集流体发生位移导致直接接触、隔膜老化失效无法绝缘电子、浆料中有金属杂质刺穿隔膜、设计时负极容量不足导致锂枝晶形成刺穿隔膜。
外界环境原因:①性能衰减,工作温度过高过低、过充过放;②产气,工作温度过高、穿刺;③热失控,工作电流过高、工作温度过高、外短路、穿刺、过充过放;④内短路,过充过放、穿刺、挤压。

即使是外界环境的原因,绝大多数也会间接通过电池内部组件的一些反应、变化造成电池失效,因此对电池本身的无损检测和拆解后的组件有损检测非常重要,可以从根本上获得电池失效的原因。

锂电池失效分析的难点




锂电池失效原因与失效之间并不是简单的“一对一"模式,还有“一对多"、“多对一"、“多对多"等多维关系。此外,引起锂电池失效的原因分为内因和外因,可以是来自组成材料本身的结构、物化性质的变化,也可以是设计制造、使用环境、时间跨度等复杂因素。因此,锂电池的失效原因和失效之间的构效关系十分复杂,如图所示。例如,正/负极材料的结构变化或破坏,都会产生容量上的衰减、倍率性能下降、内阻增大等问题;隔膜老化、刺穿是电池内短路的重要因素;电池的设计,极片涂布、滚压、卷绕等过程都直接与电池容量及倍率性能的发挥密切相关;高温环境会导致电池电解液发生分解变质,也会引起容量衰减、内阻增大、产气等问题。故想用单一失效原因去描述并剖析失效是不正确的,且需要用定量角度剖析多种失效原因在某一阶段的影响权重和主次关系,才能对失效电池进行准确的评估,并针对性地提出合理的措施。