En el contexto de la crisis energética y la contaminación ambiental, las baterías de iones de litio han atraído cada vez más atención como una fuente de energía ideal para el desarrollo del siglo 21. Sin embargo, las baterías de iones de litio tendrán algunas fallas durante la producción, el transporte y el uso. La falla de una sola batería puede afectar el rendimiento y la confiabilidad de toda la batería, e incluso puede hacer que la batería deje de funcionar u otros problemas de seguridad.
En los últimos años, ha habido muchos accidentes de incendio y explosión relacionados con la batería en el país y en el extranjero: el accidente de incendio del automóvil eléctrico Tesla Model S de EE. UU., El accidente de incendio de la batería del teléfono móvil Samsung Note7, el incendio de la fábrica electrónica Wuhan Fute, el incendio de la fábrica de Tianjin Samsung SDI, etc.
1 clasificación de fallo de batería de litio
Para evitar la degradación del rendimiento y los problemas de seguridad de la batería mencionados anteriormente, es imprescindible llevar a cabo un análisis de falla de la batería de litio. La falla de la batería de litio se refiere a la degradación del rendimiento de la batería o anomalía de rendimiento causada por ciertas razones esenciales específicas, que se divide en falla de rendimiento y seguridad. El fracaso sexual.
Clasificación de fallas comunes de la batería de litio
2 razones de fallo de la batería de litio
Los motivos del fallo de las baterías de litio se pueden dividir en causas internas y externas.
Los factores internos se refieren principalmente a la física física del fracaso, la naturaleza de los cambios químicos y la escala de investigación se remonta a la escala atómica, molecular, termodinámica y dinámica del proceso de falla.
Los factores externos incluyen factores externos como el impacto, la acupuntura, la corrosión, la combustión a alta temperatura y el vandalismo.
Situación interna de fallo de la batería de litio
Análisis de fallas comunes y mecanismo de falla de 3 baterías de litio
Fallo de atenuación de capacidad
'En la prueba de ciclo de vida estándar, la capacidad de descarga no debe ser inferior al 90% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos llega a 500. O la capacidad de descarga no debe ser inferior al 80% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos alcanza 1000, si está en el rango de ciclos estándar 4. La fuerte disminución de la capacidad es una falla en la atenuación de la capacidad.
La causa fundamental de la atenuación de la capacidad de la batería es la falla de los materiales, y está estrechamente relacionada con factores objetivos como el proceso de fabricación de la batería y el entorno de uso de la batería. Desde el punto de vista del material, las principales causas de la falla son la falla estructural del material del electrodo positivo y el crecimiento de transición SEI de la superficie del electrodo negativo. Descomposición y deterioro del electrolito, corrosión del colector de corriente, trazas de impurezas en el sistema, etc.
Fallo estructural del material del electrodo positivo: el fallo de la estructura del material del electrodo positivo incluye la rotura de partículas del material del electrodo positivo, la transición de fase irreversible, el desorden del material, etc. LiMn2O4 se distorsionará debido al efecto Jahn-Teller durante la carga y descarga, e incluso la rotura de partículas puede ocurrir. El contacto eléctrico entre las partículas falla. El material LiMn1.5Ni0.5O4 sufre una transición de fase 'sistema tetragonal-cúbico' durante la carga y descarga. El material LiCoO2 ingresa a Li durante el proceso de carga y descarga debido a la transición de Li. Capa, causando que la estructura en capas sea caótica, restringiendo su capacidad para jugar.
Fallo negativo del material del ánodo: La falla del electrodo de grafito se produce principalmente en la superficie del grafito, y la superficie del grafito reacciona con el electrolito para producir una fase de interfaz de electrolito sólido (SEI). Si el crecimiento excesivo hace que disminuya el contenido de iones de litio en el sistema interno de la batería, el resultado es una disminución de la capacidad. El fallo de los materiales de ánodo de silicio se debe principalmente a los problemas de rendimiento cíclico causados por su enorme expansión de volumen.
Fallo del electrolito: el LiPF6 tiene poca estabilidad y es fácil de descomponer para reducir el contenido de Li + transportable en el electrolito. También reacciona fácilmente con el agua traza en el electrolito para formar HF, lo que causa corrosión en el interior de la batería. La viscosidad y la cromaticidad del cambio de electrolito, que eventualmente lleva a una fuerte disminución en el rendimiento del transporte de iones.
El fallo del colector de corriente: la corrosión del colector de fluido, la adhesión del colector de corriente se reduce. El HF generado por el fallo del electrolito anterior corroerá el colector de corriente, lo que provocará una mala conductividad del compuesto, lo que provocará un aumento del contacto óhmico o un fallo activo del material. Cu durante la carga y descarga Una vez que la lámina se disuelve a un potencial bajo, se deposita sobre la superficie del electrodo positivo. Esto se denomina 'cobre de limpieza'. La forma común de falla de la recolección de fluidos es que la fuerza de unión entre el colector de corriente y el material activo es insuficiente para hacer que el material activo se desprenda, lo que no puede proporcionarse para la batería. Capacidad.
Mayor resistencia interna.
El aumento de la resistencia interna de la batería de litio se acompaña de la disminución de la densidad de energía, el voltaje y la caída de potencia, la generación de calor de la batería, etc. Los principales factores que conducen al aumento de la resistencia interna de la batería de iones de litio son los materiales clave de la batería y el entorno de uso de la batería.
Materiales clave de la batería: microfisura y fractura del electrodo positivo, daño del electrodo negativo y la superficie La SEI es demasiado gruesa, el electrolito envejece, el material activo se separa del colector de corriente y el contacto entre el material activo y el aditivo conductor se deteriora (incluida la pérdida del aditivo conductor) El orificio de contracción del diafragma está bloqueado, la oreja de la batería está soldada de manera anormal.
Entorno de la batería: la temperatura ambiente es demasiado alta / baja, sobrecarga y sobrecarga, alta velocidad de carga y descarga, proceso de fabricación y estructura de diseño de la batería.
Cortocircuito interno
El cortocircuito interno a menudo provoca la autodescarga de la batería de iones de litio, la atenuación de la capacidad, el embalamiento térmico local y los accidentes de seguridad.
Cortocircuito entre el colector de corriente de cobre / aluminio: diafragma o electrodo de punción de cuerpo extraño que no se recorta durante la producción o el uso de la batería. El desplazamiento de la pieza polar o pestaña en el paquete de la batería provoca un contacto positivo y negativo en el colector de corriente.
Cortocircuito causado por la falla del diafragma: el envejecimiento del diafragma, el colapso del diafragma, la corrosión del diafragma, etc. causarán la falla del diafragma, la falla del diafragma pierde el aislamiento eléctrico o los vacíos se vuelven positivos, el ánodo se pone en contacto, el calor local es severo, la carga continúa y la descarga se propagará a los alrededores , haciendo que el calor se salga de control.
Las impurezas provocan un cortocircuito: las impurezas de los metales de transición en el lodo del electrodo positivo no se limpian, lo que puede provocar la perforación del diafragma o causar que las dendritas de litio formen un cortocircuito interno.
Cortocircuito causado por dendritas de litio: las dendritas de litio aparecen en lugares donde las cargas locales no son uniformes durante los ciclos largos, y las dendritas pasan a través del diafragma para provocar cortocircuitos internos.
En el diseño de la batería o en el proceso de ensamblaje de la batería, el diseño no es razonable o la presión parcial es demasiado grande, lo que puede provocar un cortocircuito interno. El cortocircuito interno también puede ocurrir bajo la inducción del exceso de carga y la sobrecarga.
Produccion de gas
El fenómeno de producción de gas que ocurre cuando se forma el electrolito durante el proceso de formación de la batería para formar una película SEI estable es la producción normal de gas, pero el fenómeno de consumo de transición del gas de liberación de electrolito o la liberación de oxígeno del material del electrodo positivo es una ventilación anormal. , causará que la presión interna de la batería sea demasiado grande y deformada, rompiendo la película de aluminio del paquete, los problemas de contacto de la celda interna.
Análisis de composición de gases de células normales y células fallidas.
La humedad residual en el electrolito o el material activo del electrodo no se seca, lo que hace que la sal de litio en el electrolito se descomponga para producir HF, corroe el colector de corriente Al y destruya el aglutinante, generando hidrógeno. La cadena / anillo en el electrolito es causado por un rango de voltaje inadecuado. Los ésteres o éteres sufrirán descomposición electroquímica, que producirá C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, etc.
Fuga termal
La fuga térmica significa que la temperatura de la batería interna o de la parte entera de la batería de iones de litio aumenta rápidamente, el calor no se puede disipar en el tiempo y una gran cantidad de calor se acumula en el interior e induce reacciones secundarias adicionales. Corto circuito, alta velocidad, alta temperatura, extrusión y acupuntura.
Comportamiento térmico común dentro de la batería.
Litio
La deposición de litio es la precipitación de litio metálico en la superficie del electrodo negativo de la batería. Es un fenómeno común del envejecimiento de las baterías de litio. La deposición de litio reducirá los iones internos de litio activos en la batería, causará fallas en la capacidad y formará un diafragma perforador dendrítico, lo que conducirá a La corriente local y la producción de calor son demasiado grandes, lo que eventualmente causa problemas de seguridad de la batería.
Batería descompuesta de litio común.
El análisis de fallas de China se ha desarrollado sistemáticamente en el campo de la maquinaria y la aviación, pero no se ha estudiado sistemáticamente en el campo de las baterías de litio. Las compañías de baterías y materiales han investigado el análisis de fallas de las baterías de iones de litio, pero hacen más hincapié en los procesos de fabricación de baterías. Investigación y desarrollo de materiales para mejorar el rendimiento de la batería y reducir el costo de la batería como un objetivo directo Los futuros institutos de investigación y compañías relacionadas pueden fortalecer la cooperación y el intercambio, y esforzarse por establecer y mejorar el árbol de fallas y el proceso de análisis de fallas de la batería de iones de litio.
