锂电池故障分类及故障原因

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，越来越受到人们的重视。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。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，出现了很多 电池国内外相关火灾爆炸事故：美国特斯拉Model S电动车起火事故、三星Note7手机电池起火事故、武汉富特电子厂火灾、天津三星SDI工厂火灾等……

一、锂电池故障分类

为了避免上述性能下降和 电池 安全问题，对锂电池进行失效分析势在必行。的失败 锂电池 是指由于某些特定本质原因引起的电池性能劣化或使用性能异常，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。

2、失败原因 锂电池

失败的原因 锂电池 可分为内因和外因。

内部因素主要是指失效的物理和化学变化的性质。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。

外部因素包括冲击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为损坏等外部因素。

3.常见故障表现及故障机理分析 锂电池

容量衰减失效

“标准循环寿命试验中，循环次数达到500次时，放电容量不应低于初始容量的90%。或者循环次数达到1000次时，放电容量不应低于初始容量的80%” ”。如果容量急剧下降，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、技术参数等客观因素密切相关。 电池 使用环境。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。

正极材料的结构失效：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的结构会发生扭曲，甚至颗粒被破碎，导致颗粒之间电接触失效。 LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放电过程中会发生“四方-立方系”相变。在充放电过程中，LiCoO2材料会由于Li的跃迁和释放而进入Li层，产生无序的层状结构。 ，限制其容量。

负极材料失效：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（SEI）。过度生长会导致内部系统中锂离子含量减少 电池，导致容量衰减。硅基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，易分解，降低了电解液中可转移Li+的含量。还容易与电解液中的微量水反应生成HF，引起内部腐蚀。 电池。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，最终导致传输离子的性能急剧下降。

集电体失效：集电体腐蚀、集电体附着力下降。上述电解液失效产生的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，铜箔在低电位下溶解后，沉积在正极表面，即所谓的“析铜”。集流体失效的常见形式是集流体与活性材料之间的结合力不足，导致活性材料剥离，无法为电池提供容量。 电池.

内阻增加

内阻增加 锂电池 会伴随着能量密度下降、电压和功率下降等故障 电池 热量产生。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。

电池关键材料：正极材料的微裂纹和破碎、负极材料的破坏和表面SEI过多、电解液老化、活性材料与集流体分离、活性材料与导电添加剂接触不良（包括导电添加剂的损失） ，膜片缩孔被堵塞，焊接处 电池 tab异常等

电池 使用环境：环境温度高/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/铝集流体间短路：电池生产或使用过程中，未修剪的金属异物刺穿隔膜或电极，导致正负极集流体接触，极片或极耳移位而引起的。 电池 包装。

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。失效的隔膜丢失 电子的 绝缘或间隙变大，使正负极轻微接触，局部发热严重。持续的充电和放电会向四周扩散。 ，导致热失控。

杂质导致短路：正极浆料中的过渡金属杂质如果不清理干净，会刺破隔膜或促进形成短路。 锂 负极中出现枝晶，导致内部短路。

锂枝晶引起的短路：在长循环过程中，局部电荷不均匀的地方会出现锂枝晶，枝晶刺穿隔膜，造成内部短路。

在过程中 电池 设计制造或电池组组装时，设计不合理或局部压力过大也会导致内部短路。在电池过冲和过放电的诱导下也会发生内部短路。

天然气产量

在此期间 电池 化成过程中，电解液消耗形成稳定SEI膜时发生的产气现象为正常产气现象，但电解液消耗过多而释放气体或正极材料释放氧气的现象为异常产气现象。多发生在软包电池中，会造成内压过大，导致电池变形。 电池、包装铝膜破裂、内部电池接触问题。

电解液或电极活性物质中的微量水分未干燥，导致电解液分解 锂 电解液中的盐生成HF，腐蚀集流体Al并破坏粘结剂产生氢气。不适当的电压范围引起电解液中的链/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局部或整体温度迅速升高。 锂离子电池，热量不能及时散发，内部积聚大量热量，诱发进一步的副反应。诱发锂电池热失控的因素有异常使用条件，即滥用、短路、高倍率、高温、挤压、针刺等。

锂沉淀

锂沉淀是金属的沉淀 锂 电池负极表面，这是锂电池常见的老化失效现象。锂析出会减少电池内部的活性锂离子，导致容量失效，并会形成枝晶刺穿隔膜，导致局部电流过大、发热，最终导致电池安全问题。

我国的失效分析在机械、航空领域已经有了系统的发展，但在锂电池领域还没有进行系统的研究。 电池 企业和材料公司开展锂离子电池失效分析研究，但大多侧重于电池制造工艺和材料的研发，直接目标是提高电池性能、降低电池寿命。 电池 成本。今后，研究院所和相关企业可以加强合作与交流，努力建立健全锂离子电池失效故障树和失效分析流程。