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鋰電池失效分析流程

更新時間：2024-06-28瀏覽：609次

鋰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，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?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對環(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.


鋰電池測試分析流程



1.外觀檢查

對電池的外觀進行檢測，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)進行無損檢測；若存在，則難以進行電化學(xué)性能表征，只能進行部分原位測試表征或直接進行有損檢測。

2.無損檢測

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，可以對其進行電化學(xué)性能的測試，如對其剩余容量、內(nèi)部阻抗等測試，通過電化學(xué)性能方面的測試可以獲得一些關(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)的測試表征方法。

3.有損檢測

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

4.綜合分析

完成有損檢測后，結(jié)合對電池整體的性能（如果有）測試和對各組件的測試和表征，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)計時負(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，因此對電池本身的無損檢測和拆解后的組件有損檢測非常重要，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




鋰電池失效原因與失效之間并不是簡單的“一對一"模式，還有“一對多"、“多對一"、“多對多"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)計制造、使用環(huán)境、時間跨度等復(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，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)境會導(dǎo)致電池電解液發(fā)生分解變質(zhì)，也會引起容量衰減、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，才能對失效電池進行準(zhǔn)確的評估，并針對性地提出合理的措施。