鋰電池失效分析檢測(cè)應(yīng)用

提供來(lái)源:上海百賀日期：2019年05月09日

鋰離子電池作為21世紀(jì)發(fā)展的理想能源，受到越來(lái)越多的關(guān)注。但鋰離子電池在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)某些失效現(xiàn)象，而且單一電池失效之后會(huì)影響整個(gè)電池組的性能和可靠性，甚至?xí)?dǎo)致電池組停止工作或其他問(wèn)題。

　　近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起與電池相關(guān)的起火爆炸事故：特斯拉電動(dòng)汽車起火事故、Samsung Note7手機(jī)電池起火事故、武漢孚特電子廠房起火、天津SamsungSDI工廠起火等……

1、鋰電池失效分析含義：

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3187-82中定義:“失效(故障)—— 產(chǎn)品喪失規(guī) 定的功能。對(duì)可修復(fù)產(chǎn)品，通常也稱為故障。”鋰電池的失效是指由某些特定的本質(zhì)原因?qū)е码姵匦阅芩p或使用性能異常。鋰電池的失效主要分為兩類:一類為性能失效, 另一類為性失效,如圖1所示。性能失效指的是鋰電池的性能達(dá)不到使用要求和相關(guān)指標(biāo),主要有容量衰減或跳水、循環(huán)壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等;失效指的是鋰電池由于使用不當(dāng)或者濫用,出現(xiàn)的具有一定風(fēng)險(xiǎn)的失效,主要有熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路、膨脹形變等。

2、鋰電池失效成因

鋰電池失效現(xiàn)象分為顯性和隱性兩部分。顯性指的是直接可觀測(cè)的表現(xiàn)和特征,例如失效現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)并可通過(guò)粗視分析觀察到的表面結(jié)構(gòu)破碎和形變,包括起火燃燒、發(fā)熱、鼓脹(產(chǎn)氣)、變形、漏液、封裝材料破損及畸變、封裝材料毛刺、虛焊或漏焊、塑料材質(zhì)熔化變形等。隱性指的是不能直接觀測(cè)而需要通過(guò)拆解、分析后得到的或者是模擬實(shí)驗(yàn)中所展現(xiàn)的表現(xiàn)和特征,例如通過(guò)實(shí)驗(yàn)室拆解檢測(cè)到的微觀失效等。鋰電池失效過(guò)程中常有的隱性失效現(xiàn)象有正負(fù)極內(nèi)短路、析鋰、極片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、電解液干涸、電解液變性失效、負(fù)極溶解、過(guò)渡金屬析出(含析銅)、極片毛刺、卷繞(或疊片)異常、容量跳水、電壓異常、電阻過(guò)高、循環(huán)壽命異常、高/低溫性能異常等。失效現(xiàn)象的范圍常常會(huì)與失效模式的范圍有交集,失效現(xiàn)象更偏向?qū)ΜF(xiàn)象的直接描述, 屬于對(duì)失效過(guò)程的信息收集和描述;失效模式一般理解為失效的性質(zhì)和類型,是對(duì)失效的歸類和劃分。鋰電池失效現(xiàn)象是電池失效表現(xiàn)的大集群,對(duì)其進(jìn)行定義和分類是十分必要的。

失效是失效原因的表現(xiàn),也是失效原因在一定時(shí)間內(nèi)疊加失效現(xiàn)象的結(jié)果。失效分析的重要任務(wù)之一是對(duì)失效原因進(jìn)行準(zhǔn)確判定。常見的鋰電池失效原因有活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化、活性物質(zhì)相變、活性顆粒出現(xiàn)裂紋或破碎、過(guò)渡金屬溶出、體積膨脹、固體電解質(zhì)界面(SEI)過(guò)度生長(zhǎng)、SEI分解、鋰枝晶生長(zhǎng)、電解液分解或失效、電解液不足、電解液添加劑的失配、集流體腐蝕或溶解、導(dǎo)電劑失效、黏結(jié)劑失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、極片出現(xiàn)偏析、材料團(tuán)聚、電芯設(shè)計(jì)異常、電芯分容老化過(guò)程異常等。從鋰電池失效原因研究?jī)?nèi)容可將其分為外因和內(nèi)因。其中外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素；而內(nèi)因主要指的是失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì), 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變化.。鋰電池的失效歸根結(jié)底是材料的失效。

3、鋰電池失效機(jī)理及部分檢測(cè)方式：

電鏡在鋰電池檢測(cè)應(yīng)用

1）正負(fù)極材料的形貌

負(fù)極材料的孔隙大小和數(shù)量直接關(guān)系到鋰離子的存儲(chǔ)和釋放能力。

2）隔膜材料的形貌與成分檢測(cè)

隔膜中孔隙的大小和分布決定了鋰離子在正負(fù)極之間的遷移能力，通電前后隔膜材料成分的差異可以反映電解液對(duì)隔膜的影響。

3）鋰枝晶檢測(cè)

鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中電極和電解液界面的不穩(wěn)定，破壞生成的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積；鋰枝晶的形成甚至還會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。