锂电池故障的分类及故障原因

在能源危机和环境污染的背景下， 锂离子电池，作为21世纪发展的理想能源，受到越来越多的关注。然而，锂离子电池在生产、运输和使用过程中可能会出现一些故障现象。而且，单个电池的故障会影响整个电池组的性能和可靠性，甚至导致电池组停止工作或出现其他安全问题。

近年来，国内外发生多起与电池相关的火灾爆炸事故：美国特斯拉Model S电动车火灾、三星Note7手机电池起火事故、武汉复地电子厂火灾、三星SDI天津工厂火灾等……

1. 分类 锂电池 失败

为了避免上述性能下降和电池安全问题，进行锂电池失效分析势在必行。锂电池失效是指由于某些特定本质原因引起的电池性能下降或使用性能异常，分为性能失效和安全失效。

性能故障包括容量跳水、循环寿命衰减、电压异常、电流异常、内阻过大、自放电、高低温老化、倍率性能差、一致性差等。

安全故障包括热失控、短路、漏液、胀气、析锂、膨胀变形、刺穿（挤压）等。

二、锂电池失效的原因

锂电池失效的原因可分为内部原因和外部原因。

内因主要是指失效的物理、化学变化的性质。研究尺度可追溯到原子、分子尺度，研究失效过程的热力学和动力学变化。

外部因素包括撞击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为损坏等外部因素。

3、锂电池常见失效表现及失效机理分析

容量衰减故障

“在标准循环寿命测试中，循环次数达到500次时，放电容量应不小于初始容量的90%。或者循环次数时的放电容量应不小于80%的初始容量 如果在标准循环范围内，出现容量急剧下降的现象，则属于容量衰减故障。

根本原因是 电池容量 衰减失效是材料的失效，与电池制造工艺、电池使用环境等客观因素密切相关。从材料角度来看，失效的主要原因有正极材料的结构失效、负极表面SEI的过渡生长、电解液的分解劣化、集流体的腐蚀等。系统中的微量杂质。

正极材料结构失效： 正极材料的结构失效包括正极材料颗粒破碎、不可逆相变、材料无序等。LiMn2O4在充放电过程中，由于Jahn-Teller效应，LiMn2O4的结构会发生畸变，颗粒甚至可能被破碎，导致颗粒之间的电接触失效。 LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放电过程中会发生“四方-立方晶系”相变。 LiCoO2材料在充电过程中由于Li的跃迁而进入Li层， 放电过程，导致层状结构变得混乱。 ，限制其容量。

阳极材料失效：石墨电极的失效主要发生在石墨表面。石墨表面与电解质反应产生固体电解质界面相（SEI）。如果过度增长会导致下降 锂 电池内部系统中的离子含量增加，结果就是容量下降。硅负极材料的失效主要是由于其巨大的体积膨胀导致的循环性能问题。

电解液失效：LiPF6稳定性差，容易分解，减少电解液中迁移的Li+量。它还容易与电解液中的微量水反应生成HF，导致电池内部腐蚀。气密性差会导致电解液变质，电解液的粘度和色度发生变化，最终导致离子传输性能急剧下降。

集流体的失效：集流体腐蚀，集流体的附着力下降。电解液失效产生的HF会腐蚀集流体并生成导电性差的化合物，导致欧姆接触增加或活性材料失效。在充放电过程中，铜箔在低电位下被溶解并沉积在正极表面，这就是所谓的“析铜”。集流体失效的常见形式是集流体与活性物质之间的结合力不足，导致活性物质剥离，无法为电池提供容量。

内阻增加

锂电池内阻的增加会伴随着能量密度下降、电压和功率下降、电池发热等失效问题。导致锂离子电池内阻增大的主要因素分为关键电池材料和电池使用环境。

关键电池材料：正极材料的微裂纹和破损、负极材料的破坏和表面SEI过多、电解液老化、活性材料和集流体分离、活性材料和导电添加剂接触恶化（包括导电添加剂的损失） 、隔膜缩孔被堵塞、电池极耳焊接异常等。

电池使用环境：环境温度过高/过低、过充过放、高倍率充放电、制造工艺及电池设计结构等。

内部短路

内部短路常常导致锂离子电池自放电、容量衰减、局部热失控和安全事故。

铜/铝集流体之间短路：电池生产或使用过程中未修整的金属异物刺穿隔膜或电极，电池封装内的极片或极耳移位导致正负极集流体接触。

隔膜失效引起的短路：隔膜老化、隔膜塌陷、隔膜腐蚀等都会导致隔膜失效。失效的隔膜失去电绝缘性或间隙变成正极和负极之间的微接触。然后就会出现严重的局部发热，持续的充放电会向周围扩散。 ，导致热失控。

杂质导致短路：正极浆料中的过渡金属杂质未能去除，会导致隔膜被刺穿或促进负极锂枝晶的形成，导致内部短路。

锂枝晶引起的短路： 锂 长循环过程中局部电荷不均匀的地方会出现枝晶，枝晶会穿透隔膜造成内部短路。

在电池设计制造或电池组组装过程中，设计不合理或局部压力过大也会造成内部短路。在电池过冲、过放的诱导下也会发生内部短路。

天然气产量

在电池化成过程中，电解液消耗形成稳定SEI膜时出现的产气现象属于正常产气现象，但电解液消耗过多、正极材料释放氧气的现象属于异常产气。常出现在软包电池中，会导致电池内部压力过大而变形，包装铝膜破裂，电池内部接触问题。

电解液或电解液中的微量水分 电极活性材料 不干燥，导致电解液中的锂盐分解产生HF，腐蚀集流体Al，破坏粘结剂，产生氢气。电压范围不当引起电解液中链/环酯或醚的电化学分解，会产生C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、CO2等。

热失控

热失控是指器件内部或整体温度迅速升高。 锂离子电池，热量不能及时散发，大量积聚在内部，引发进一步的副反应。诱发锂电池热失控的因素有非正常使用条件，如滥用、短路、高倍、高温、挤压、针刺等。

锂

析锂是金属锂在电池负极表面析出，是锂电池老化失效的常见现象。析锂会减少电池中的活性锂离子，导致容量失效，并形成刺穿隔膜的枝晶，导致局部电流过大、发热，最终造成电池安全问题。