近年來(lái)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,安全問題作為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的根基也越來(lái)越受到行業(yè)的關(guān)注。隨著新能源汽車的爆發(fā)式上升,我國(guó)新能源汽車保有量已超過200萬(wàn)輛,安全問題變得更加敏感,若不能有效控制安全事故的發(fā)生,新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也必然受到影響。

市場(chǎng)監(jiān)督管理總局的消息顯示,2018年以來(lái)我國(guó)已發(fā)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(dòng)力鋰電池出現(xiàn)了問題。在行業(yè)內(nèi),動(dòng)力鋰電池發(fā)生故障有一種專業(yè)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(zhì)原因引起的電池性能衰減或使用性能異常,它可能發(fā)生在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用中的任何一個(gè)環(huán)節(jié),不僅會(huì)影響電池的性能,甚至?xí)l(fā)起火、爆炸等安全問題。鋰離子電池失效根據(jù)影響類型的不同,可以分為性能失效和安全性失效。其出現(xiàn)的重要原因也分為兩種,分別是內(nèi)因和外因:內(nèi)因包括物理失效、化學(xué)變化等,外因包括高溫、撞擊、針刺、人為損壞等。接下來(lái)電車資源將為大家詳細(xì)介紹數(shù)種常見的鋰離子電池失效,包括容量衰減失效、內(nèi)短路、內(nèi)阻增大、熱失控等。

容量衰減失效

一般在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測(cè)試時(shí),在循環(huán)次數(shù)達(dá)到500次后,電池容量不應(yīng)低于初始值的90%,達(dá)到1000次后,不應(yīng)低于初始值的80%,如容量不符合該標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)衰減過度的現(xiàn)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(diào)整電池的充放電制度及改善電池的使用環(huán)境等方法恢復(fù)損失的容量,不可逆衰減因?yàn)槭请姵貎?nèi)部發(fā)生了不可逆的變化出現(xiàn)了無(wú)法恢復(fù)的容量損失,因此無(wú)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(huán)境等客觀因素有不可分割的聯(lián)系。從材料角度來(lái)說,造成容量衰減失效的成因有正極材料失效、負(fù)極表面SEI過渡生產(chǎn)、電解液失效、集流體失效等等。

內(nèi)短路

內(nèi)短路往往會(huì)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(nèi)部發(fā)生短路期間,兩種電極材料以電子方式在內(nèi)部互連,導(dǎo)致局部高電流密度。鋰離子電池中發(fā)生內(nèi)部短路可能是鋰枝晶的形成或壓縮沖擊等情況引起的。長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)部短路會(huì)導(dǎo)致自放電及局部溫度上升,局部溫度上升出現(xiàn)的影響非常顯著,因?yàn)榧偃鐪囟瘸瞿骋婚撝?電解質(zhì)可能通過放熱反應(yīng)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(nèi)阻增大

鋰離子電池內(nèi)阻與電池內(nèi)部電子傳輸和離子傳輸過程有關(guān),重要分為歐姆電阻和極化內(nèi)阻,極化內(nèi)阻重要由電化學(xué)極化引發(fā),又分為電化學(xué)極化和濃差極化。當(dāng)電池內(nèi)阻增大時(shí),伴隨而生的還有能量密度下降、電壓功率下降、電池產(chǎn)熱等失效問題。影響其出現(xiàn)的重要因素有電池關(guān)鍵材料與電池使用環(huán)境,但關(guān)鍵材料出現(xiàn)異常是內(nèi)阻增大的根本影響因素。

熱失控

熱失控是一個(gè)能量正反饋循環(huán)過程:升高的溫度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變熱,系統(tǒng)變熱升高溫度,這又反過來(lái)又讓系統(tǒng)變得更熱。鋰離子電池?zé)崾Э貏t是指電池內(nèi)部局部或整體的溫度急速上升熱量不能及時(shí)散去,大量積聚在內(nèi)部,并誘發(fā)進(jìn)一步的副反應(yīng)。參與熱失控反應(yīng)的是鋰離子電池中的氧化鈷化學(xué)物。加熱這種化學(xué)物達(dá)到一定溫度,它就開始自發(fā)熱,然后發(fā)展成起火和爆炸。在某些情況下,這種有機(jī)電解液釋放壓力會(huì)導(dǎo)致電池破裂。假如暴露在高溫環(huán)境下,或者是遇到火花,它也有可能會(huì)燃燒。為了防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生,一般會(huì)采用PTC、安全閥、導(dǎo)熱膜等措施,但更重要的是完善電池在設(shè)計(jì)、制造的技術(shù),及使用的方法。

電池，離子電池失效

產(chǎn)氣

鋰離子電池產(chǎn)氣有兩種,分別是正常產(chǎn)氣和異常產(chǎn)氣,在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩(wěn)定SEI膜所發(fā)生的產(chǎn)氣現(xiàn)象為正常產(chǎn)氣,過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象屬于異常產(chǎn)氣。在鋰離子電池組裝完成后,預(yù)化成過程中會(huì)出現(xiàn)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(lái)源。在首次充放電過程中,電子由外電路到達(dá)負(fù)極后會(huì)與負(fù)極表面的電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氣體。

析鋰

鋰離子電池在充電過程中,鋰離子會(huì)從正極脫嵌并嵌入負(fù)極,但當(dāng)發(fā)生異常情況造成從正極脫嵌的鋰離子無(wú)法嵌入負(fù)極的話,鋰離子就只能析出在負(fù)極表面,形成一層灰色的物質(zhì),這就是析鋰。析鋰的原因有很多種,包括負(fù)極余量不夠、正負(fù)極涂面不均勻、低溫環(huán)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(jié)構(gòu)化負(fù)極、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)來(lái)抑制析鋰失效的出現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測(cè)試時(shí)，循環(huán)次數(shù)達(dá)到500次時(shí)放電容量應(yīng)不低于初始容量的90%。或者循環(huán)次數(shù)達(dá)到1000次時(shí)放電容量不應(yīng)低于初始容量的80%，若在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)范圍內(nèi)，容量出現(xiàn)急劇下降現(xiàn)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(shí)與電池制造工藝、電池使用環(huán)境等客觀因素有緊密聯(lián)系。從材料角度看，造成失效的原因重要有正極材料的結(jié)構(gòu)失效、負(fù)極表面SEI過渡生長(zhǎng)、電解液分解與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。

正極材料的結(jié)構(gòu)失效：正極材料結(jié)構(gòu)失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉(zhuǎn)變、材料無(wú)序化等。LiMn2O4在充放電過程中會(huì)因Jahn-Teller效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，甚至?xí)l(fā)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(huì)發(fā)生四方晶系-立方晶系相轉(zhuǎn)變，LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會(huì)導(dǎo)致Co進(jìn)入Li層，造成層狀結(jié)構(gòu)混亂化，制約其容量發(fā)揮。

負(fù)極材料失效：石墨電極的失效重要發(fā)生在石墨表面，石墨表面與電解液反應(yīng)，生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI），假如過度生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部體系中鋰離子含量降低，結(jié)果就是導(dǎo)致容量衰減。硅類負(fù)極材料的失效重要在于其巨大的體積膨脹導(dǎo)致的循環(huán)性能問題。

電解液失效：LiPF6穩(wěn)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(yīng)生成HF，造成電池內(nèi)部被腐蝕。氣密性不好引起電解液變質(zhì)，電解液黏度和色度都發(fā)生變化，最終導(dǎo)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(huì)對(duì)集流體造成腐蝕，生成導(dǎo)電性差的化合物，導(dǎo)致歐姆接觸增大或活性物質(zhì)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(jié)合力不夠?qū)е禄钚晕镔|(zhì)剝離，不能為電池供應(yīng)容量。