Clasificación de fallas de la batería de litio y causa de falla

En el contexto de la crisis energética y la contaminación ambiental, Las baterías de iones de litio, fuente energética ideal para el desarrollo del siglo XXI, han recibido cada vez más atención. Sin embargo, pueden ocurrir algunos fenómenos de falla en la producción, el transporte y el uso de baterías de iones de litio. Además, la falla de una sola batería afectará el rendimiento y la confiabilidad de todo el paquete de baterías e incluso provocará que el paquete de baterías deje de funcionar u otros problemas de seguridad.

En los últimos años, ha habido muchos accidentes de incendio y explosión relacionados con baterías en el país y en el extranjero: el incendio del automóvil eléctrico Tesla Model S en los Estados Unidos, el accidente de incendio de la batería del teléfono móvil Samsung Note7, el incendio en la fábrica de electrónica Wuhan Forte, el incendio en la fábrica Samsung SDI en Tianjin, etc.

1. Clasificación de batería de litio falla

Para evitar la degradación del rendimiento y los problemas de seguridad de la batería mencionados anteriormente, es imperativo realizar un análisis de fallas de la batería de litio. Las fallas de la batería de litio se refieren a la degradación del rendimiento de la batería o al rendimiento de uso anormal causado por algunas razones esenciales específicas, y se dividen en fallas de rendimiento y fallas de seguridad.

Las fallas de rendimiento incluyen caída de capacidad, atenuación del ciclo de vida, voltaje anormal, corriente anormal, resistencia interna excesiva, autodescarga, envejecimiento por alta y baja temperatura, bajo rendimiento de velocidad y mala consistencia.

Las fallas de seguridad incluyen fugas térmicas, cortocircuitos, fugas de líquido, flatulencias, desprendimiento de litio, deformación por expansión y perforación (apretón).

2. Causas del fallo de las baterías de litio

Las razones del fallo de las baterías de litio se pueden dividir en causas internas y externas.

La causa interna se refiere principalmente a la naturaleza de los cambios físicos y químicos de la falla. La escala de investigación se puede remontar a las escalas atómica y molecular para estudiar los cambios termodinámicos y dinámicos del proceso de falla.

Los factores externos incluyen impacto, acupuntura, corrosión, combustión a alta temperatura, daños provocados por el hombre y otros factores externos.

3. Análisis del mecanismo de falla y del comportamiento de fallas comunes de las baterías de litio

Falla por pérdida de capacidad

“En la prueba de ciclo de vida estándar, la capacidad de descarga no debe ser inferior a 90% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos alcanza 500 veces. O la capacidad de descarga no debe ser inferior a 80% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos alcanza 500 veces. Si está dentro del rango del ciclo estándar, en el interior, el fenómeno de una fuerte disminución de la capacidad es una falla en la atenuación de la capacidad.

La causa raíz de capacidad de la batería La falla por desintegración es una 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 misma. Desde el punto de vista del material, las principales razones de la falla son la falla estructural del material del electrodo positivo, el crecimiento transitorio de SEI en la superficie del electrodo negativo, la descomposición y el deterioro del electrolito, la corrosión del colector de corriente y las impurezas traza del sistema.

Fallo estructural del material del electrodo positivo: La falla estructural del material del electrodo positivo incluye el aplastamiento de las partículas del material del electrodo positivo, la transición de fase irreversible, el desorden del material, etc. Durante el proceso de carga y descarga de LiMn2O4, la estructura de LiMn2O4 se distorsionará debido al efecto Jahn-Teller, y las partículas pueden incluso romperse, lo que provocará que falle el contacto eléctrico entre las partículas. El material LiMn1.5Ni0.5O4 experimentará una transición de fase de "sistema cristalino tetragonal-cúbico" durante el proceso de carga y descarga. El material LiCoO2 ingresará a la capa de Li debido a la transición de Li durante el proceso de carga y descarga. proceso de alta, provocando que la estructura en capas se vuelva caótica, restringiendo su capacidad.

Falla del material del ánodo: La falla del electrodo de grafito ocurre principalmente en la superficie del grafito. La superficie del grafito reacciona con el electrolito para producir la fase de interfaz electrolítica sólida (SEI). Si el crecimiento excesivo provocará una disminución de la litio El contenido de iones en el sistema interno de la batería provoca una disminución de la capacidad. La falla de los materiales del ánodo de silicio se debe principalmente a los problemas de rendimiento del ciclo causados por su enorme expansión de volumen.

Falla del electrolito: el LiPF6 tiene poca estabilidad y se descompone fácilmente para reducir la cantidad de Li+ migratorio en el electrolito. También reacciona fácilmente con trazas de agua en el electrolito para generar HF, lo que provoca corrosión dentro de la batería. La mala hermeticidad hace que el electrolito se deteriore y que la viscosidad y la cromaticidad del electrolito cambien, lo que en última instancia conduce a una marcada disminución del rendimiento del transporte de iones.

Fallo del colector de corriente: el colector de corriente se corroe y la adherencia del colector de corriente disminuye. El HF generado por el fallo del electrolito corroerá el colector de corriente y generará compuestos con mala conductividad, lo que dará como resultado un mayor contacto óhmico o un fallo del material activo. Durante el proceso de carga y descarga, la lámina de Cu se disuelve a un potencial bajo y se deposita en la superficie del electrodo positivo, lo que es la llamada "precipitación de cobre". La forma común de fallo del colector de corriente es que la fuerza de unión entre el colector de corriente y el material activo es insuficiente, lo que hace que el material activo se desprenda y no pueda proporcionar capacidad a la batería.

Aumento de la resistencia interna

El aumento de la resistencia interna de las baterías de litio irá acompañado de problemas de fallos, como una disminución de la densidad energética, una disminución del voltaje y la potencia y la generación de calor de la batería. Los principales factores que conducen al aumento de la resistencia interna de las baterías de iones de litio se dividen en materiales clave de la batería y entorno de uso de la batería.

Materiales clave de la batería: microgrietas y rotura del material del electrodo positivo, destrucción del material del electrodo negativo y SEI superficial excesivo, envejecimiento del electrolito, separación del material activo y el colector de corriente, deterioro del contacto del material activo y los aditivos conductores (incluida la pérdida de aditivos conductores), el orificio de contracción del diafragma está bloqueado, la soldadura de la pestaña de la batería es anormal, etc.

Entorno de uso de la batería: temperatura ambiente demasiado alta/baja, sobrecarga y sobredescarga, carga y descarga a alta velocidad, proceso de fabricación y estructura de diseño de la batería, etc.

Cortocircuito interno

Los cortocircuitos internos a menudo provocan autodescarga, degradación de la capacidad, fuga térmica local y accidentes de seguridad en las baterías de iones de litio.

Cortocircuito entre colectores de corriente de cobre/aluminio: cuerpos extraños metálicos sin recortar perforan el diafragma o el electrodo durante la producción o el uso de la batería, y el desplazamiento de las piezas polares o pestañas en el paquete de la batería hace que los colectores de corriente positiva y negativa entren en contacto.

Cortocircuito causado por falla del diafragma: el envejecimiento del diafragma, el colapso del diafragma, la corrosión del diafragma, etc. provocarán la falla del diafragma. El diafragma defectuoso pierde el aislamiento eléctrico o el espacio se convierte en un microcontacto entre los electrodos positivo y negativo. Luego, se producirá un calentamiento local severo y la carga y descarga continuas se propagarán a los alrededores, lo que provocará una fuga térmica.

Las impurezas provocan cortocircuitos: si no se eliminan las impurezas de los metales de transición en la suspensión del electrodo positivo, se perforará el separador o se promoverá la formación de dendritas de litio en el electrodo negativo, lo que provocará cortocircuitos internos.

Cortocircuito causado por dendritas de litio: Litio Las dendritas aparecerán en lugares donde las cargas locales son desiguales durante el ciclo largo, y penetrarán el diafragma para provocar cortocircuitos internos.

En el proceso de diseño y fabricación de baterías o de ensamblaje de paquetes de baterías, un diseño poco razonable o una presión local excesiva también pueden causar cortocircuitos internos. Los cortocircuitos internos también se producirán por la inducción de sobrecarga y sobredescarga de la batería.

Producción de gas

Durante el proceso de formación de la batería, el fenómeno de producción de gas que ocurre cuando el electrolito se consume para formar una película SEI estable es una producción de gas normal, pero el fenómeno del consumo excesivo de electrolito y la liberación de oxígeno del material del cátodo es una producción de gas anormal. A menudo aparece en baterías de paquete blando, lo que hará que la presión interna de la batería sea demasiado grande y se deforme, rompa la película de aluminio del empaque y tenga problemas de contacto interno con la batería.

Rastrear humedad en el electrolito o en el material activo del electrodo No se seca, lo que hace que la sal de litio en el electrolito se descomponga para producir HF, corroer el colector de corriente Al, destruir el aglutinante y producir hidrógeno. La descomposición electroquímica de los ésteres o éteres en cadena/cíclicos en el electrolito causada por un rango de voltaje inadecuado producirá C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, etc.

Fuga térmica

El descontrol térmico se refiere al aumento rápido de la temperatura interna o general del batería de iones de litio, y el calor no se puede disipar a tiempo, y una gran cantidad de este se acumula en el interior e induce más reacciones secundarias. Los factores que inducen el descontrol térmico de las baterías de litio son las condiciones de funcionamiento anormales, como el abuso, los cortocircuitos, los aumentos elevados, las altas temperaturas, la extrusión y la acupuntura.

Litio

La precipitación de litio es la precipitación de litio metálico en la superficie del electrodo negativo de la batería, que es un fenómeno común en el envejecimiento y falla de las baterías de litio. La evolución del litio reducirá los iones de litio activos en la batería, lo que provocará una falla de capacidad y la formación de dendritas que perforan el diafragma, lo que provocará una generación excesiva de corriente local y calor y, en última instancia, causará problemas de seguridad en la batería.