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鋰電池失效分析流程

來源:深圳市楚英豪科技有限公司   2024年06月28日 11:03  
電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí),M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對(duì)環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋰電池已經(jīng)成為了主流.


鋰電池測(cè)試分析流程



1.外觀檢查

對(duì)電池的外觀進(jìn)行檢測(cè),判斷是否存在破損、腐蝕及燃燒過等影響完整性導(dǎo)致無法進(jìn)行充放電的問題,也可以判斷電池經(jīng)歷過的部分外部環(huán)境條件,如針刺、擠壓、過熱等。若不存在,可以繼續(xù)進(jìn)行無損檢測(cè);若存在,則難以進(jìn)行電化學(xué)性能表征,只能進(jìn)行部分原位測(cè)試表征或直接進(jìn)行有損檢測(cè)。

2.無損檢測(cè)

確定電池完整,沒有發(fā)生嚴(yán)重影響其工作或安全性的問題,可以對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)性能的測(cè)試,如對(duì)其剩余容量、內(nèi)部阻抗等測(cè)試,通過電化學(xué)性能方面的測(cè)試可以獲得一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)以幫助判斷其失效原因。此外,可以采用一些原位的測(cè)試方法在不破壞電池的條件下盡量多獲得一些其內(nèi)部的信息(如其內(nèi)部是否有破損和內(nèi)部活性材料的物相等),以幫助判斷其失效的可能原因從而確定后續(xù)的測(cè)試表征方法。

3.有損檢測(cè)

在通過判斷外觀有破損或完成無損檢測(cè)后則是對(duì)電池進(jìn)行拆解,獲得其內(nèi)部組件,然后進(jìn)行針對(duì)性測(cè)試和表征。其中需要注意的是對(duì)組件的預(yù)處理方式,例如:①拆解電池時(shí)需要惰性氣氛保護(hù);②活性材料與集流體、黏結(jié)劑的分離及清洗;③隔膜上殘留電解液去除時(shí)防止可能附著的副產(chǎn)物被去除;④拆解時(shí)電解液/氣體的收集等。
拆解后的測(cè)試對(duì)象主要是正負(fù)極極片、隔膜、電解液、產(chǎn)生的氣體、集流體和其他組件。其中對(duì)正負(fù)極極片需要對(duì)活性物質(zhì)的性質(zhì) (形貌、結(jié)構(gòu)、成分等)進(jìn)行表征,然后將其組裝扣式半電池進(jìn)行性能 (克容量、阻抗等)測(cè)試。此外根據(jù)失效的表現(xiàn)可以分離黏結(jié)劑、活性材料等進(jìn)行具體的分析。
隔膜則需要進(jìn)行形貌和表面元素分析,另外可將其組裝成扣式電池進(jìn)行性能 (通過阻抗等分析其離子電導(dǎo)率)測(cè)試。對(duì)電解液、氣體及可能獲得的極片、隔膜表面殘留物,則需要進(jìn)行成分分析,結(jié)合分析電池內(nèi)部可能發(fā)生的反應(yīng)。

4.綜合分析

完成有損檢測(cè)后,結(jié)合對(duì)電池整體的性能(如果有)測(cè)試和對(duì)各組件的測(cè)試和表征,綜合分析電池所發(fā)生的失效類型及造成的具體原因。

鋰電池失效的主要原因



鋰電池的失效原因主要可以分為兩大類,一類是鋰離子電池本身的制造缺陷等,而另一類則是外界環(huán)境(包括電池使用過程、工作環(huán)境等)。
鋰電池本身原因:①性能衰減,正負(fù)極活性材料失效、隔膜老化、電解液消耗、黏結(jié)劑失效和集流體腐蝕等;②產(chǎn)氣,組裝時(shí)有殘留痕量水、漿料中有其他活性雜質(zhì)、集流體腐蝕等;③熱失控,正極材料不穩(wěn)定分解產(chǎn)生氧氣與電解液反應(yīng)放熱、隔膜和外殼等組件無法快速散熱導(dǎo)致熱積聚;④內(nèi)短路,組裝時(shí)集流體發(fā)生位移導(dǎo)致直接接觸、隔膜老化失效無法絕緣電子、漿料中有金屬雜質(zhì)刺穿隔膜、設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)極容量不足導(dǎo)致鋰枝晶形成刺穿隔膜。
外界環(huán)境原因:①性能衰減,工作溫度過高過低、過充過放;②產(chǎn)氣,工作溫度過高、穿刺;③熱失控,工作電流過高、工作溫度過高、外短路、穿刺、過充過放;④內(nèi)短路,過充過放、穿刺、擠壓。

即使是外界環(huán)境的原因,絕大多數(shù)也會(huì)間接通過電池內(nèi)部組件的一些反應(yīng)、變化造成電池失效,因此對(duì)電池本身的無損檢測(cè)和拆解后的組件有損檢測(cè)非常重要,可以從根本上獲得電池失效的原因。

鋰電池失效分析的難點(diǎn)




鋰電池失效原因與失效之間并不是簡(jiǎn)單的“一對(duì)一”模式,還有“一對(duì)多”、“多對(duì)一”、“多對(duì)多”等多維關(guān)系。此外,引起鋰電池失效的原因分為內(nèi)因和外因,可以是來自組成材料本身的結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)的變化,也可以是設(shè)計(jì)制造、使用環(huán)境、時(shí)間跨度等復(fù)雜因素。因此,鋰電池的失效原因和失效之間的構(gòu)效關(guān)系十分復(fù)雜,如圖所示。例如,正/負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)變化或破壞,都會(huì)產(chǎn)生容量上的衰減、倍率性能下降、內(nèi)阻增大等問題;隔膜老化、刺穿是電池內(nèi)短路的重要因素;電池的設(shè)計(jì),極片涂布、滾壓、卷繞等過程都直接與電池容量及倍率性能的發(fā)揮密切相關(guān);高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)生分解變質(zhì),也會(huì)引起容量衰減、內(nèi)阻增大、產(chǎn)氣等問題。故想用單一失效原因去描述并剖析失效是不正確的,且需要用定量角度剖析多種失效原因在某一階段的影響權(quán)重和主次關(guān)系,才能對(duì)失效電池進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估,并針對(duì)性地提出合理的措施。




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