鉅大LARGE | 點擊量：1967次 | 2021年04月13日
什么是鋰離子電池失效 失效的原因是什么？
近年來新能源汽車產業發展迅速,安全問題作為產業健康發展的根基也越來越受到行業的關注。隨著新能源汽車的爆發式上升,我國新能源汽車保有量已超過200萬輛,安全問題變得更加敏感,若不能有效控制安全事故的發生,新能源汽車產業的發展也必然受到影響。
市場監督管理總局的消息顯示,2018年以來我國已發生新能源汽車起火事件40余起。而大部分新能源汽車安全事故,都是由于動力鋰電池出現了問題。在行業內,動力鋰電池發生故障有一種專業說法,叫電池失效。今天電車資源就用一文帶大家一起了解一下什么是鋰離子電池失效。
電池，離子電池失效
鋰離子電池失效,指由某些特定的本質原因引起的電池性能衰減或使用性能異常,它可能發生在生產、運輸、使用中的任何一個環節,不僅會影響電池的性能,甚至會引發起火、爆炸等安全問題。鋰離子電池失效根據影響類型的不同,可以分為性能失效和安全性失效。其出現的重要原因也分為兩種,分別是內因和外因:內因包括物理失效、化學變化等,外因包括高溫、撞擊、針刺、人為損壞等。接下來電車資源將為大家詳細介紹數種常見的鋰離子電池失效,包括容量衰減失效、內短路、內阻增大、熱失控等。
容量衰減失效
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
一般在進行標準循環壽命測試時,在循環次數達到500次后,電池容量不應低于初始值的90%,達到1000次后,不應低于初始值的80%,如容量不符合該標準出現衰減過度的現象,則屬于容量衰減失效。鋰離子電池的容量衰減失效分為可逆容量衰減和不可逆容量衰減。其中可逆衰減能夠通過調整電池的充放電制度及改善電池的使用環境等方法恢復損失的容量,不可逆衰減因為是電池內部發生了不可逆的變化出現了無法恢復的容量損失,因此無法挽救。
電池容量衰減的重要原因在于材料失效,也和電池的制造工藝、使用環境等客觀因素有不可分割的聯系。從材料角度來說,造成容量衰減失效的成因有正極材料失效、負極表面SEI過渡生產、電解液失效、集流體失效等等。
內短路
內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。在電池內部發生短路期間,兩種電極材料以電子方式在內部互連,導致局部高電流密度。鋰離子電池中發生內部短路可能是鋰枝晶的形成或壓縮沖擊等情況引起的。長時間的內部短路會導致自放電及局部溫度上升,局部溫度上升出現的影響非常顯著,因為假如溫度超出某一閾值,電解質可能通過放熱反應開始分解,從而引起熱失控,具有潛在的健康和安全隱患。
電池，離子電池失效
內阻增大
鋰離子電池內阻與電池內部電子傳輸和離子傳輸過程有關,重要分為歐姆電阻和極化內阻,極化內阻重要由電化學極化引發,又分為電化學極化和濃差極化。當電池內阻增大時,伴隨而生的還有能量密度下降、電壓功率下降、電池產熱等失效問題。影響其出現的重要因素有電池關鍵材料與電池使用環境,但關鍵材料出現異常是內阻增大的根本影響因素。
熱失控
熱失控是一個能量正反饋循環過程:升高的溫度會導致系統變熱,系統變熱升高溫度,這又反過來又讓系統變得更熱。鋰離子電池熱失控則是指電池內部局部或整體的溫度急速上升熱量不能及時散去,大量積聚在內部,并誘發進一步的副反應。參與熱失控反應的是鋰離子電池中的氧化鈷化學物。加熱這種化學物達到一定溫度,它就開始自發熱,然后發展成起火和爆炸。在某些情況下,這種有機電解液釋放壓力會導致電池破裂。假如暴露在高溫環境下,或者是遇到火花,它也有可能會燃燒。為了防止熱失控現象的發生,一般會采用PTC、安全閥、導熱膜等措施,但更重要的是完善電池在設計、制造的技術,及使用的方法。
電池，離子電池失效
產氣
鋰離子電池產氣有兩種,分別是正常產氣和異常產氣,在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩定SEI膜所發生的產氣現象為正常產氣,過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現象屬于異常產氣。在鋰離子電池組裝完成后,預化成過程中會出現少量氣體,這些氣體是不可防止的,也是所謂的電芯不可逆容量損失來源。在首次充放電過程中,電子由外電路到達負極后會與負極表面的電解液發生氧化還原反應,生成氣體。
析鋰
鋰離子電池在充電過程中,鋰離子會從正極脫嵌并嵌入負極,但當發生異常情況造成從正極脫嵌的鋰離子無法嵌入負極的話,鋰離子就只能析出在負極表面,形成一層灰色的物質,這就是析鋰。析鋰的原因有很多種,包括負極余量不夠、正負極涂面不均勻、低溫環境充電、大倍率充電等等。目前重要是通過加入電解液添加劑、人造SEI、高鹽度電解液、結構化負極、優化電池結構來抑制析鋰失效的出現。標準循環壽命測試時，循環次數達到500次時放電容量應不低于初始容量的90%。或者循環次數達到1000次時放電容量不應低于初始容量的80%，若在標準循環范圍內，容量出現急劇下降現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、電池使用環境等客觀因素有緊密聯系。從材料角度看，造成失效的原因重要有正極材料的結構失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質、集流體腐蝕、體系微量雜質等。
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效應導致結構發生畸變，甚至會發生顆粒破碎，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，制約其容量發揮。
負極材料失效：石墨電極的失效重要發生在石墨表面，石墨表面與電解液反應，生產固態電解質界面相（SEI），假如過度生長會導致電池內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重要在于其巨大的體積膨脹導致的循環性能問題。
電解液失效：LiPF6穩定性差，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，造成電池內部被腐蝕。氣密性不好引起電解液變質，電解液黏度和色度都發生變化，最終導致傳輸離子性能急劇下降。
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導致活性物質剝離，不能為電池供應容量。
