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锂离子电池在使用或储存过程中常产生一些损坏状况,包括容量损耗、内阻增加、倍率性能下降、产气、漏液、短路、形变、热失控、析锂等,明显下降了锂离子电池的使用性能、稳定性和安全性。这些损坏状况是由电池內部一连串错综复杂的化学和物理机制相互影响导致的。
锂离子电池体系错综复杂,牵涉到热学、动力学、微观结构、组元间相互影响与反应、表界面反应等层面。对损坏状况的正确解析和掌握,对锂离子电池性能的提高和技术改善有着关键作用。本文以电池的损坏状况为起始,对损坏基本原理做一些简单的讲解。
锂电池损坏表現及损坏原理
1
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容量衰减
主要是分可逆容量衰减和不可逆容量衰减两大类。可逆容量衰减可以经过调整电池充放电机制和改善电池使用环境等对策使损耗的容量修复;而不可逆容量衰减是电池內部产生不可逆的改变产生了不可修复的容量损耗。
电池容量衰减失效的根源在于材料的损坏,同时与电池生产制造工艺、电池使用环境等客观因素有密切联系。从材料角度观察,造成损坏的原因主要是有正极材料的结构损坏、负极表面SEI过度生长、电解液分解与质变、集流体腐蚀、体系微量杂质残渣等。
2
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内阻增加
锂离子电池的内阻与电池体系內部电子传输和离子传输过程相关,主要是分为欧姆电阻和极化内阻。其中极化内阻主要是由电化学极化导致,存在电化学极化和浓差极化两大类。导致锂离子电池内阻增加的主要是因素分为电池关键材料和电池使用环境。
3
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内短路
短路的表現可分为以下四种:
A、铜/铝集流体之间的短路;
B、膈膜损坏失去电子绝缘性或空隙变大使正、负极微触碰,产生局部发热明显,再进一步充放电过程中,很有可能向四周围蔓延,产生热失控;
C、正极浆料中过渡金属杂质残渣未去除干净,刺穿膈膜、或使得负极锂枝晶生成导致内短路;
D、锂枝晶导致内短路的产生。
此外,在电池设计生产制造或电池组组装过程上,不合理性的设计和局部压力过大也会导致内短路;电池过充和过放的引诱下,也会产生内短路,主要是由于其中集流体腐蚀,在电极表面产生沉积状况,严重的状况会经过膈膜连通正负极。
4
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产气
锂离子电池产气主要是分成正常产气与异常产气。在电池化成工艺过程中消耗电解液形成稳定SEI膜所发生的产气状况为正常产气。化成阶段产气主要是为由酯类单/双电子反应形成了H2、CO2、C2H2等。异常产气主要是只在电池循环过程中,过渡消耗电解液释放气体或正极材料释氧等状况,常产生在软包电池中,引起电池內部压力过大而形变、撑裂封裝铝膜、內部电芯触碰问题等。
5
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热失控
热失控是指锂离子电池內部局部或整体的温度极速升高热量无法及时性散去,大量堆积在內部,并诱发更进一步的不良反应。
为了避免 锂离子电池在热失控引起严重的安全隐患,常采用PTC、安全阀、导热膜等对策,与此同时在电池的设计构思、电池生产制造过程、电池管理系统、电池使用环境等方面都须要做好系统化的考量。
6
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析锂
析锂是一类较为普遍的锂离子电池衰老失效状况。具体表现主要是负极极片表面产生一层灰色、灰白色或者灰蓝色化学物质,这些化学物质是在负极表面析出的金属锂。