Dans le contexte de crise énergétique et de pollution de l’environnement, les batteries lithium-ion attirent de plus en plus l’attention comme source d’énergie idéale pour le développement du XXIe siècle, mais certaines défaillances surviendront lors de la production, du transport et de l’utilisation. La défaillance d'une seule batterie peut affecter les performances et la fiabilité de l'ensemble de la batterie et peut même entraîner son arrêt du fonctionnement ou d'autres problèmes de sécurité.
Au cours des dernières années, de nombreux accidents d’incendie et d’explosion liés aux batteries ont eu lieu chez nous et à l’étranger: accident d’incendie de voiture électrique Tesla Model S, accident de batterie de téléphone portable Samsung Note7, incendie d’usine de l’usine électronique Wuhan Fute, incendie de l’usine de Tianjin Samsung SDI, etc.
1 classification de défaillance de batterie au lithium
Afin d'éviter la dégradation des performances et la sécurité de la batterie mentionnées ci-dessus, il est impératif de procéder à une analyse de la défaillance d'une batterie au lithium, laquelle se réfère à une dégradation de la batterie ou à une anomalie de performance provoquée par certaines raisons essentielles spécifiques, qui sont divisées en défaillance de performance et sécurité. Échec sexuel.
Classification des pannes courantes de batteries au lithium
2 raisons de panne de batterie au lithium
Les raisons de la défaillance des batteries au lithium peuvent être divisées en causes internes et externes.
Les facteurs internes renvoient principalement à la physique physique de l'échec, à la nature des modifications chimiques, et l'échelle de la recherche peut être retracée à l'échelle atomique, moléculaire, thermodynamique et dynamique du processus de défaillance.
Les facteurs externes incluent les facteurs externes tels que l'impact, l'acupuncture, la corrosion, la combustion à haute température et le vandalisme.
Situation interne de défaillance de la batterie au lithium
Analyse de la performance de défaillance commune et du mécanisme de défaillance de 3 batteries au lithium
Échec d'atténuation de capacité
«Dans l'essai de cycle normal, la capacité de décharge ne doit pas être inférieure à 90% de la capacité initiale lorsque le nombre de cycles atteint 500. Ou la capacité de décharge ne doit pas être inférieure à 80% de la capacité initiale lorsque le nombre de cycles atteint 1000, si la plage de cycles standard 4. La forte diminution de la capacité est un échec de l'affaiblissement de la capacité.
La défaillance des matériaux est étroitement liée à des facteurs objectifs tels que le processus de fabrication de la batterie et son environnement d'utilisation, principalement la défaillance structurelle du matériau de l'électrode positive et la croissance de la surface de l'électrode négative lors de la transition SEI. Décomposition et détérioration de l'électrolyte, corrosion du collecteur de courant, traces d'impuretés dans le système, etc.
Défaillance structurelle du matériau de l'électrode positive: la défaillance de la structure du matériau de l'électrode positive inclut la fragmentation du matériau de l'électrode positive, une transition de phase irréversible, un désordre du matériau, etc. Le matériau LiMn1.5Ni0.5O4 subit une transition de phase «système tétragonal-cubique» lors de la charge et de la décharge, tandis que le matériau LiCoO2 pénètre dans le Li lors du processus de charge et de décharge du fait de la transition de Li. Couche, causant un chaos dans la structure en couches, limitant sa capacité à jouer.
Défaillance négative du matériau de l'anode: la défaillance de l'électrode en graphite se produit principalement sur la surface en graphite et la surface en graphite réagit avec l'électrolyte pour produire une phase d'interface électrolyte solide (SEI). Si une croissance excessive provoque une diminution de la teneur en ions lithium dans le système interne de la batterie, il en résulte une diminution de la capacité. La défaillance des matériaux d'anode en silicium est principalement due aux problèmes de performances cycliques causés par son énorme expansion en volume.
Défaillance de l’électrolyte: le LiPF6 a une mauvaise stabilité et est facile à décomposer pour réduire la quantité de Li + transportable dans l’électrolyte.Il réagit également facilement avec des traces d’eau dans l’électrolyte pour former du HF, ce qui provoque la corrosion à l’intérieur de la batterie et une détérioration de l’électrolyte. La viscosité et la chromaticité de l'électrolyte changent, ce qui finit par entraîner une forte baisse de la performance des ions de transport.
La défaillance du collecteur de courant: corrosion du collecteur de fluide, adhérence du collecteur de courant réduite, le HF généré par la défaillance de l'électrolyte ci-dessus corrodera le collecteur de courant, entraînant une mauvaise conductivité du composé, entraînant une augmentation du contact ohmique ou une défaillance du matériau actif. Lorsque la feuille est dissoute à un faible potentiel, elle se dépose à la surface de l'électrode positive. C'est ce que l'on appelle le «cuivre de compensation». La forme habituelle de défaillance de la collecte de fluide est que la force de liaison entre le collecteur de courant et le matériau actif est insuffisante pour permettre le détachement du matériau actif, ce qui n'est pas le cas pour la batterie. Capacité
Augmentation de la résistance interne
L'augmentation de la résistance interne de la batterie au lithium s'accompagne d'une diminution de la densité d'énergie, de la chute de tension et de courant, de la production de chaleur de la batterie, etc. Les principaux facteurs à l'origine de l'augmentation de la résistance interne de la batterie au lithium-ion sont les matériaux clés de la batterie et l'environnement d'utilisation de la batterie.
Matériau clé de la batterie: microfissure et fracture du matériau de l'électrode positive, endommagement du matériau de l'électrode négative et de la surface SEI trop épais, électrolyte vieilli, matériau actif séparé du collecteur de courant et contact altéré du matériau actif avec l'additif conducteur Le trou de rétraction du diaphragme est bouché, l'oreille de la batterie est anormalement soudée.
Environnement de la batterie: température ambiante trop élevée / trop basse, surcharge et décharge excessive, charge et décharge rapides, processus de fabrication et structure de conception de la batterie.
Court-circuit interne
Les courts-circuits internes provoquent souvent l’autodécharge de la batterie lithium-ion, une atténuation de la capacité, un emballement thermique local et des accidents de sécurité.
Court-circuit entre le collecteur de courant en cuivre / aluminium: membrane ou électrode de perforation en métal étranger non compensée lors de la production ou de l'utilisation de la batterie Le déplacement de la pièce polaire ou de la languette dans le paquet de la batterie provoque un contact positif et négatif du collecteur de courant.
Court-circuit causé par une défaillance du diaphragme: le vieillissement du diaphragme, l’effondrement du diaphragme, la corrosion du diaphragme, etc. provoquent une défaillance du diaphragme, une défaillance de la membrane perd une isolation électrique ou des vides deviennent positifs, l’anode est légèrement en contact, puis la chaleur locale est intense, continue à charger et la décharge continue. , causant une perte de contrôle de la chaleur.
Court-circuit dû aux impuretés: les impuretés de métal de transition présentes dans la suspension d’électrodes positives ne sont pas nettoyées, ce qui peut entraîner la perforation du diaphragme ou la formation de courts-circuits internes dans les dendrites de lithium.
Court-circuit provoqué par des dendrites de lithium: des dendrites de lithium apparaissent dans des endroits où les charges locales ne sont pas uniformes lors de cycles longs, et les dendrites traversent le diaphragme pour provoquer des courts-circuits internes.
Lors de la conception de la batterie ou du processus d’assemblage de la batterie, la conception est déraisonnable ou la pression partielle trop élevée, ce qui peut provoquer un court-circuit interne.
Production de gaz
Le phénomène de production de gaz qui se produit lorsque l'électrolyte est formé pendant le processus de formation de la batterie pour former un film SEI stable est la production de gaz normale, mais le phénomène de consommation transitoire de gaz libérant l'électrolyte ou la libération d'oxygène du matériau de l'électrode positive constitue une ventilation anormale. , causera la pression interne de la batterie est trop grande et déformée, brisant le film d'aluminium de l'emballage, les problèmes de contact de la cellule interne.
Analyse de la composition gazeuse des cellules normales et des cellules défaillantes
Les traces d'humidité dans l'électrolyte ou le matériau actif de l'électrode ne sont pas asséchées, ce qui provoque la décomposition du sel de lithium présent dans l'électrolyte en HF, corrode le collecteur de courant Al et détruit le liant, générant de l'hydrogène. Les esters ou les éthers subiront une décomposition électrochimique qui produira du C2H4, du C2H6, du C3H6, du C3H8, du CO2, etc.
Emballement thermique
L'emballement thermique signifie que la température de toute la partie interne de la batterie au lithium-ion augmente rapidement, que la chaleur ne peut pas être dissipée dans le temps et qu'une grande quantité de chaleur s'accumule à l'intérieur et induit d'autres réactions secondaires. Court-circuit, vitesse élevée, température élevée, extrusion et acupuncture.
Comportement thermique commun à l'intérieur de la batterie
Lithium
Le dépôt de lithium est la précipitation de lithium métallique sur la surface de l’électrode négative de la batterie, phénomène courant du vieillissement des batteries au lithium. Le courant local et la production de chaleur sont trop importants, ce qui finit par poser des problèmes de sécurité pour la batterie.
Image de lithium commune de la batterie décomposée
L’analyse des défaillances en Chine a été systématiquement développée dans le secteur des machines et de l’aviation, mais elle n’a pas fait l’objet d’études systématiques dans le domaine des batteries au lithium. Les instituts de recherche futurs et les entreprises associées peuvent renforcer la coopération et les échanges et s’efforcer d’établir et d’améliorer l’arbre de défaillance et le processus d’analyse de défaillance des défaillances de batterie lithium-ion.
