Klassifizierung und Gründe für Lithiumbatterieausfälle

Vor dem Hintergrund der Energiekrise und der Umweltverschmutzung Lithium-Ionen-Batterien, als ideale Energiequelle für die Entwicklung des 21. Jahrhunderts, haben immer mehr Aufmerksamkeit erhalten. Bei der Herstellung, dem Transport und der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien können jedoch einige Fehler auftreten. Darüber hinaus beeinträchtigt der Ausfall einer einzelnen Batterie die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Batteriepakets und kann sogar dazu führen, dass das Batteriepaket nicht mehr funktioniert oder andere Sicherheitsprobleme auftreten.

In den letzten Jahren gab es viele Batterie-bezogene Brand- und Explosionsunfälle im In- und Ausland: der Brandunfall des Elektrofahrzeugs Tesla Model S in den USA, der Brandunfall des Mobiltelefonakkus des Samsung Note7, der Brand in der Elektronikfabrik Fute in Wuhan, der Brand in der Fabrik von Samsung SDI in Tianjin usw.

1. Klassifizierung von Lithiumbatterieausfällen

Um die oben genannten Leistungseinbußen zu vermeiden und Batterie Sicherheitsprobleme ist es zwingend erforderlich, Fehleranalysen von Lithiumbatterien durchzuführen. Der Ausfall von Lithiumbatterie bezieht sich auf die Verschlechterung der Batterieleistung oder anormale Nutzungsleistung, die durch bestimmte wesentliche Gründe verursacht wird und in Leistungsfehler und Sicherheitsfehler unterteilt wird.

Zu Leistungsausfällen zählen Kapazitätsverlust, Zykluslebensdauerverlust, anormale Spannung, anormaler Strom, übermäßiger Innenwiderstand, Selbstentladung, Alterung durch hohe und niedrige Temperaturen, schlechte Ratenleistung und mangelnde Konsistenz.

Zu den Sicherheitsmängeln zählen thermisches Durchgehen, Kurzschluss, Flüssigkeitsleckage, Blähungen, Lithiumentwicklung, Ausdehnungsverformung und Punktion (Extrusion).

2. Gründe für das Scheitern von Lithiumbatterien

Die Gründe für das Scheitern von Lithiumbatterien können in interne und externe Ursachen unterteilt werden.

Interne Faktoren beziehen sich hauptsächlich auf die Art der physikalischen und chemischen Veränderungen des Versagens. Der Forschungsmaßstab lässt sich auf die atomare und molekulare Ebene zurückführen, und die thermodynamischen und kinetischen Veränderungen des Versagensprozesses werden untersucht.

Zu den externen Faktoren zählen Stöße, Akupunktur, Korrosion, Verbrennung bei hohen Temperaturen, vom Menschen verursachte Schäden und andere externe Faktoren.

3. Häufige Fehlerverhaltens- und Fehlermechanismusanalyse von Lithiumbatterien

Kapazitätsschwund-Fehler

„Beim Standard-Lebensdauertest darf die Entladekapazität nicht weniger als 90% der Anfangskapazität betragen, wenn die Anzahl der Zyklen 500 erreicht. Oder die Entladekapazität darf nicht weniger als 80% der Anfangskapazität betragen, wenn die Anzahl der Zyklen 1000 erreicht.“ Wenn die Kapazität stark abnimmt, handelt es sich um einen Kapazitätsabfallfehler.

Die Grundursache Batterie Kapazitätsabfallfehler sind Materialfehler und hängen eng mit objektiven Faktoren wie dem Herstellungsprozess der Batterie zusammen und Batterie Nutzungsumgebung. Aus materieller Sicht sind die Hauptgründe für das Versagen das strukturelle Versagen des positiven Elektrodenmaterials, das vorübergehende Wachstum von SEI auf der negativen Elektrodenoberfläche, die Zersetzung und Verschlechterung des Elektrolyten, die Korrosion des Stromkollektors und die Spurenverunreinigungen im System.

Strukturelles Versagen von Kathodenmaterialien: Strukturelles Versagen von Kathodenmaterialien umfasst Partikelbruch von Kathodenmaterialien, irreversible Phasenübergänge und Materialstörungen. Während des Lade- und Entladevorgangs von LiMn2O4 wird die Struktur von LiMn2O4 aufgrund des Jahn-Teller-Effekts verzerrt und sogar die Partikel werden gebrochen, was zum Versagen des elektrischen Kontakts zwischen den Partikeln führt. Das Material LiMn1,5Ni0,5O4 durchläuft während des Lade- und Entladevorgangs einen Phasenübergang vom Typ „tetragonal-kubisches System“. Während des Lade- und Entladevorgangs dringt das Material LiCoO2 aufgrund des Übergangs und der Freisetzung von Li in die Li-Schicht ein, was zu einer ungeordneten Schichtstruktur führt und seine Kapazität einschränkt.

Ausfall des negativen Elektrodenmaterials: Der Ausfall der Graphitelektrode tritt hauptsächlich auf der Graphitoberfläche auf. Die Graphitoberfläche reagiert mit dem Elektrolyten und bildet eine feste Elektrolyt-Zwischenphase (SEI). Übermäßiges Wachstum führt zu einer Verringerung des Lithiumionengehalts im inneren System der Batterie, was zu einem Kapazitätsverlust führt. Der Ausfall von Anodenmaterialien auf Siliziumbasis ist hauptsächlich auf Probleme mit der Zyklusleistung zurückzuführen, die durch ihre enorme Volumenausdehnung verursacht werden.

Elektrolytversagen: LiPF6 hat eine schlechte Stabilität und zersetzt sich leicht, was den Gehalt an übertragbarem Li+ im Elektrolyten verringert. Es reagiert auch leicht mit Spuren von Wasser im Elektrolyten und bildet HF, was zu innerer Korrosion des Batterie. Eine mangelhafte Luftdichtheit führt zu einer Verschlechterung des Elektrolyten und zu einer Veränderung der Viskosität und Farbart des Elektrolyten, was letztendlich zu einer starken Abnahme der Ionentransportleistung führt.

Ausfall des Stromkollektors: Korrosion des Stromkollektors, Verringerung der Haftung des Stromkollektors. Die durch den Ausfall des oben genannten Elektrolyten erzeugte HF korrodiert den Stromkollektor und erzeugt Verbindungen mit schlechter Leitfähigkeit, was zu erhöhtem ohmschen Kontakt oder zum Ausfall aktiver Materialien führt. Während des Lade- und Entladevorgangs wird die Cu-Folie, nachdem sie bei niedrigem Potential aufgelöst wurde, auf der Oberfläche der positiven Elektrode abgelagert, was als „Kupferniederschlag“ bezeichnet wird. Eine häufige Form des Stromkollektorausfalls besteht darin, dass die Bindungskraft zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material unzureichend ist, was zum Ablösen des aktiven Materials führt, das keine Kapazität für die Batterie.

Der innere Widerstand steigt

Die Erhöhung des Innenwiderstandes von Lithiumbatterien wird von Ausfällen wie einer Abnahme der Energiedichte, einer Abnahme der Spannung und Leistung begleitet sein und Batterie Wärmeentwicklung. Die Hauptfaktoren, die zur Erhöhung des Innenwiderstands von Lithium-Ionen-Batterien führen, sind auf die wichtigsten Batteriematerialien und die Batterienutzungsumgebung zurückzuführen.

Wichtige Batteriematerialien: Mikrorisse und Zerkleinerung von positiven Elektrodenmaterialien, Zerstörung von negativen Elektrodenmaterialien und übermäßige Oberflächen-SEI, Alterung des Elektrolyten, Trennung von aktiven Materialien von Stromkollektoren, schlechter Kontakt zwischen aktiven Materialien und leitfähigen Additiven (einschließlich Verlust von leitfähigen Additiven), Das Schrumpfloch der Membran ist blockiert und das Schweißen der Batterie Registerkarte ist abnormal usw.

Batterie Nutzungsumgebung: hohe/niedrige Umgebungstemperatur, Überladung und Überentladung, hohe Lade- und Entladerate, Herstellungsprozess und Batteriedesignstruktur usw.

Interner Kurzschluss

Interne Kurzschlüsse führen häufig zur Selbstentladung, zum Kapazitätsverlust, zum lokalen thermischen Durchgehen und zu Sicherheitsunfällen bei Lithium-Ionen-Akkus.

Kurzschluss zwischen Kupfer-/Aluminium-Stromkollektoren: verursacht durch den Kontakt zwischen positiven und negativen Stromkollektoren, verursacht durch unbeschnittene metallische Fremdkörper, die den Separator oder die Elektroden während der Batterieproduktion oder -verwendung durchbohren, und durch die Verschiebung von Polstücken oder Laschen in Batterie Verpackung.

Kurzschluss durch Membranversagen: Membranalterung, Membrankollaps, Membrankorrosion usw. führen zum Membranversagen. Die defekte Membran verliert elektronisch Die Isolierung oder der Abstand wird größer, sodass die positiven und negativen Elektroden leicht in Kontakt kommen, was zu einer starken lokalen Erwärmung führt. Weiteres Laden und Entladen breitet sich aus, was zu einem thermischen Durchgehen führt.

Verunreinigungen führen zu Kurzschlüssen: Wenn die Übergangsmetallverunreinigungen in der positiven Elektrodenaufschlämmung nicht gereinigt werden, durchbohren sie den Separator oder fördern die Bildung von Lithium Dendriten in der negativen Elektrode, was zu einem internen Kurzschluss führt.

Kurzschluss durch Lithiumdendriten: Li-Dendriten treten während des langen Zyklus an Stellen auf, an denen die lokale Ladung nicht gleichmäßig ist. Die Dendriten durchdringen den Separator und verursachen interne Kurzschlüsse.

Im Prozess der Batterie Auch Design und Herstellung oder die Montage des Akkupacks, unangemessenes Design oder übermäßiger lokaler Druck können zu internen Kurzschlüssen führen. Interne Kurzschlüsse können auch durch Überschwingen und Überentladung der Batterie auftreten.

Gasproduktion

Während der Batterie Bildungsprozess, das Phänomen der Gasproduktion, das auftritt, wenn der Elektrolyt verbraucht wird, um einen stabilen SEI-Film zu bilden, ist eine normale Gasproduktion, aber das Phänomen des übermäßigen Verbrauchs von Elektrolyt zur Freisetzung von Gas oder der Freisetzung von Sauerstoff aus positiven Elektrodenmaterialien ist eine abnormale Gasproduktion. Es tritt häufig bei Softpack-Batterien auf, was zu übermäßigem Innendruck und Verformung der Batterie, Riss der Verpackungsaluminiumfolie und Probleme mit dem internen Zellkontakt.

Die Spurenfeuchtigkeit im Elektrolyten oder im Elektrodenaktivmaterial wird nicht getrocknet, was zur Zersetzung des Lithium Salz im Elektrolyten erzeugt HF, das den Stromkollektor Al korrodiert und das Bindemittel zerstört, wodurch Wasserstoff entsteht. Die elektrochemische Zersetzung von Ketten-/zyklischen Estern oder Ethern im Elektrolyten, die durch einen ungeeigneten Spannungsbereich verursacht wird, erzeugt C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2 usw.

Thermisches Durchgehen

Unter thermischem Durchgehen versteht man den schnellen Anstieg der lokalen oder allgemeinen Temperatur im Inneren Lithium-Ionen-Akku, die Wärme kann nicht rechtzeitig abgeführt werden, im Inneren staut sich eine große Menge Wärme und es werden weitere Nebenreaktionen ausgelöst. Die Faktoren, die das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien verursachen, sind abnormale Betriebsbedingungen, d. h. Missbrauch, Kurzschluss, hohe Rate, hohe Temperatur, Extrusion und Akupunktur.

Lithiumfällung

Lithiumfällung ist die Ausfällung von metallischen Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode der Batterie, was ein häufiges Alterungsversagen von Lithiumbatterien ist. Lithiumablagerungen reduzieren die aktiven Lithiumionen in der Batterie, was zu einem Kapazitätsverlust führt, und bilden Dendriten, die den Separator durchbohren, was zu übermäßiger lokaler Strom- und Wärmeentwicklung und letztendlich zu Sicherheitsproblemen der Batterie führt.

Chinas Fehleranalyse wurde im Maschinenbau- und Luftfahrtbereich systematisch entwickelt, im Bereich der Lithiumbatterien jedoch nicht systematisch untersucht. Batterie Unternehmen und Materialunternehmen führen Forschungen zur Fehleranalyse von Lithium-Ionen-Batterien durch, konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Forschung und Entwicklung von Batterieherstellungsprozessen und -materialien mit dem direkten Ziel, die Batterieleistung zu verbessern und zu reduzieren Batterie Kosten. In Zukunft können das Forschungsinstitut und verwandte Unternehmen die Zusammenarbeit und den Austausch verstärken und danach streben, den Fehlerbaum und den Fehleranalyseprozess von Lithium-Ionen-Batterien zu etablieren und zu verbessern.