Clasificación de fallas de la batería de litio y causas de falla

En el contexto de la crisis energética y la contaminación ambiental, Baterías de iones de litioLas baterías de iones de litio, como fuente de energía ideal para el desarrollo del siglo XXI, han recibido cada vez más atención. Sin embargo, pueden ocurrir algunos fallos durante la producción, el transporte y el uso de las baterías de iones de litio. Además, el fallo de una sola batería afectará el rendimiento y la fiabilidad de todo el paquete de baterías, e incluso provocará que el paquete de baterías deje de funcionar o que surjan otros problemas de seguridad.

En los últimos años, ha habido muchos batería-Accidentes de incendio y explosión relacionados con la seguridad en el país y en el extranjero: el incendio del vehículo eléctrico Tesla Model S en los Estados Unidos, el incendio de la batería del teléfono móvil Samsung Note7, el incendio de la fábrica de electrónica Fute de Wuhan, el incendio de la fábrica Samsung SDI de Tianjin, etc.

1. Clasificación de fallas de la batería de litio

Para evitar la degradación del rendimiento mencionada anteriormente y batería problemas de seguridad, es imperativo realizar un análisis de fallas de las baterías de litio. La falla de batería de litio se refiere al deterioro del rendimiento de la batería o al rendimiento de uso anormal causado por algunas razones esenciales específicas, que se divide en falla de rendimiento y falla de seguridad.

Las fallas de rendimiento incluyen pérdida de capacidad, disminución del ciclo de vida, voltaje anormal, corriente anormal, resistencia interna excesiva, autodescarga, envejecimiento por alta y baja temperatura, bajo rendimiento de velocidad y mala consistencia.

Las fallas de seguridad incluyen fugas térmicas, cortocircuitos, fugas de líquido, flatulencias, desprendimiento de litio, deformación por expansión y perforación (extrusión).

2. Razones del fracaso de Baterías de litio

Las razones del fracaso de Baterías de litio Se pueden dividir en causas internas y externas.

Los factores internos se refieren principalmente a la naturaleza de los cambios físicos y químicos que se producen en el proceso de falla. La escala de investigación se puede rastrear hasta las escalas atómica y molecular, y se estudian los cambios termodinámicos y cinéticos del proceso de falla.

Los factores externos incluyen impacto, acupuntura, corrosión, combustión a alta temperatura, daños provocados por el hombre y otros factores externos.

3. Análisis del mecanismo de falla y desempeño de fallas comunes Baterías de litio

Falla de pérdida de capacidad

“En la prueba de ciclo de vida estándar, la capacidad de descarga no debe ser inferior a 90% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos llega a 500. O la capacidad de descarga no debe ser inferior a 80% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos llega a 1000”. Si la capacidad disminuye bruscamente, pertenece a la falla por disminución de la capacidad.

La causa raíz de batería La falla por pérdida de capacidad es la falla de los materiales y está estrechamente relacionada con factores objetivos como el proceso de fabricación de la batería y batería Entorno de uso. Desde el punto de vista del material, las principales causas de la falla son la falla estructural del material del electrodo positivo, el crecimiento transitorio de SEI en la superficie del electrodo negativo, la descomposición y el deterioro del electrolito, la corrosión del colector de corriente y las impurezas traza en el sistema.

Falla estructural de los materiales del cátodo: Las fallas estructurales de los materiales del cátodo incluyen la rotura de partículas de los materiales del cátodo, transiciones de fase irreversibles y desorden del material. Durante el proceso de carga y descarga de LiMn2O4, la estructura de LiMn2O4 se distorsionará debido al efecto Jahn-Teller, e incluso las partículas se romperán, lo que provocará la falla del contacto eléctrico entre las partículas. El material LiMn1.5Ni0.5O4 experimentará una transición de fase de "sistema tetragonal-cúbico" durante el proceso de carga y descarga. Durante el proceso de carga y descarga, el material LiCoO2 ingresará a la capa de Li debido a la transición y liberación de Li, lo que dará como resultado una estructura en capas desordenada, restringiendo su capacidad.

Falla del material del electrodo negativo: La falla del electrodo de grafito ocurre principalmente en la superficie de grafito. La superficie de grafito reacciona con el electrolito para producir una interfase electrolítica sólida (SEI). El crecimiento excesivo provocará una disminución del contenido de iones de litio en el sistema interno del electrodo. batería, lo que provoca una pérdida de capacidad. La falla de los materiales de ánodo a base de silicio se debe principalmente a los problemas de rendimiento del ciclo causados por su enorme expansión de volumen.

Falla del electrolito: el LiPF6 tiene poca estabilidad y se descompone fácilmente, lo que reduce el contenido de Li+ transferible en el electrolito. También reacciona fácilmente con trazas de agua en el electrolito para formar HF, lo que provoca corrosión interna del mismo. bateríaLa mala hermeticidad provoca el deterioro del electrolito y la viscosidad y cromaticidad del mismo cambian, lo que finalmente conduce a una fuerte disminución del rendimiento del transporte de iones.

Fallo del colector de corriente: corrosión del colector de corriente, disminución de la adherencia del colector de corriente. El HF generado por el fallo del electrolito mencionado anteriormente corroerá el colector de corriente y generará compuestos con mala conductividad, lo que dará como resultado un mayor contacto óhmico o un fallo de los materiales activos. Durante el proceso de carga y descarga, después de que la lámina de Cu se disuelve a un potencial bajo, se deposita en la superficie del electrodo positivo, lo que se denomina "precipitación de cobre". Una forma común de fallo del colector de corriente es que la fuerza de unión entre el colector de corriente y el material activo es insuficiente, lo que da como resultado el desprendimiento del material activo, que no puede proporcionar capacidad para la batería.

La resistencia interna aumenta

El aumento de la resistencia interna de Baterías de litio irá acompañado de fallos como una disminución de la densidad energética, una disminución del voltaje y de la potencia, y batería Generación de calor. Los principales factores que conducen al aumento de la resistencia interna de las baterías de iones de litio se dividen en materiales clave de la batería y el entorno de uso de la batería.

Materiales clave de la batería: microfisuras y aplastamiento de los materiales de los electrodos positivos, destrucción de los materiales de los electrodos negativos y SEI superficial excesivo, envejecimiento del electrolito, separación de los materiales activos de los colectores de corriente, mal contacto entre los materiales activos y los aditivos conductores (incluida la pérdida de aditivos conductores), el orificio de contracción del diafragma está bloqueado y la soldadura de la batería La pestaña es anormal, etc.

Batería Entorno de uso: temperatura ambiente alta/baja, sobrecarga y sobredescarga, carga y descarga de alta velocidad, proceso de fabricación y estructura de diseño de la batería, etc.

Cortocircuito interno

Los cortocircuitos internos a menudo provocan autodescarga, pérdida de capacidad, fuga térmica local y accidentes de seguridad en las baterías de iones de litio.

Cortocircuito entre colectores de corriente de cobre/aluminio: causado por el contacto entre colectores de corriente positivos y negativos causado por objetos extraños de metal sin recortar que perforan el separador o los electrodos durante la producción o el uso de la batería, y el desplazamiento de piezas polares o pestañas en batería embalaje.

Cortocircuito causado por falla del diafragma: el envejecimiento del diafragma, el colapso del diafragma, la corrosión del diafragma, etc. provocarán la falla del diafragma. El diafragma averiado pierde electrónico El aislamiento o el espacio entre los electrodos se hacen más grandes, lo que hace que los electrodos positivo y negativo entren en contacto ligeramente y, luego, el calentamiento local es grave. La carga y descarga continuas se propagarán, lo que provocará una fuga térmica.

Las impurezas provocan cortocircuito: si las impurezas del metal de transición en la suspensión del electrodo positivo no se limpian, perforarán el separador o promoverán la formación de litio dendritas en el electrodo negativo, lo que produce un cortocircuito interno.

Cortocircuito causado por dendritas de litio: Las dendritas de litio aparecerán en lugares donde la carga local no es uniforme durante el ciclo largo, y las dendritas penetran en el separador y provocan cortocircuitos internos.

En vías de batería El diseño y la fabricación o el montaje de la batería, un diseño poco razonable o una presión local excesiva también pueden provocar cortocircuitos internos. Los cortocircuitos internos también pueden ocurrir bajo la inducción de sobrecarga y sobredescarga de la batería.

producción de gas

Durante el batería Proceso de formación, el fenómeno de producción de gas que ocurre cuando el electrolito se consume para formar una película SEI estable es una producción de gas normal, pero el fenómeno del consumo excesivo de electrolito para liberar gas o la liberación de oxígeno de los materiales de electrodos positivos es una producción de gas anormal. A menudo ocurre en baterías de paquete blando, lo que provocará una presión interna excesiva y la deformación de la batería, ruptura de la película de aluminio del embalaje y problemas de contacto interno de las celdas.

La humedad residual en el electrolito o el material activo del electrodo no se seca, lo que da como resultado la descomposición del mismo. litio La sal en el electrolito genera HF, que corroe el colector de corriente Al y destruye el aglutinante para generar hidrógeno. La descomposición electroquímica de los ésteres o éteres en cadena/cíclicos en el electrolito causada por un rango de voltaje inadecuado producirá C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, etc.

Fuga térmica

El descontrol térmico se refiere al aumento rápido de la temperatura local o general dentro del batería de iones de litio, el calor no se puede disipar a tiempo, se acumula una gran cantidad de calor en el interior y se inducen más reacciones secundarias. Los factores que inducen el descontrol térmico de las baterías de litio son las condiciones de funcionamiento anormales, es decir, el abuso, el cortocircuito, la alta velocidad, la alta temperatura, la extrusión y la acupuntura.

Precipitación de litio

La precipitación de litio es la precipitación de metales litio En la superficie del electrodo negativo de la batería, que es un fenómeno común de falla por envejecimiento de las baterías de litio, la precipitación de litio reducirá los iones de litio activos dentro de la batería, lo que provocará una falla de capacidad y formará dendritas que perforarán el separador, lo que provocará una generación excesiva de corriente local y calor y, en última instancia, provocará problemas de seguridad de la batería.

El análisis de fallas de China se ha desarrollado sistemáticamente en el campo de la maquinaria y la aviación, pero no se ha estudiado sistemáticamente en el campo de las baterías de litio. Batería Las empresas y las empresas de materiales realizan investigaciones sobre el análisis de fallas de las baterías de iones de litio, pero principalmente se centran en la investigación y el desarrollo de procesos y materiales de fabricación de baterías, con el objetivo directo de mejorar el rendimiento de las baterías y reducir batería En el futuro, el instituto de investigación y las empresas relacionadas pueden fortalecer la cooperación y los intercambios, y esforzarse por establecer y mejorar el árbol de fallas y el proceso de análisis de fallas de las baterías de iones de litio.