Classification des pannes de batteries au lithium et causes de pannes

Dans un contexte de crise énergétique et de pollution environnementale, batteries lithium-ionLes batteries lithium-ion, en tant que source d'énergie idéale pour le développement du 21e siècle, font l'objet d'une attention croissante. Cependant, certaines défaillances peuvent survenir lors de la production, du transport et de l'utilisation des batteries lithium-ion. De plus, la défaillance d'une seule batterie affectera les performances et la fiabilité de l'ensemble de la batterie, voire entraînera l'arrêt du fonctionnement de la batterie ou d'autres problèmes de sécurité.

Ces dernières années, il y a eu de nombreuses batterie- incendies et explosions liés à la COVID-19 dans le pays et à l'étranger : incendie du véhicule électrique Tesla Model S aux États-Unis, incendie de la batterie du téléphone portable Samsung Note7, incendie de l'usine Fute Electronics de Wuhan, incendie de l'usine Samsung SDI de Tianjin, etc.

1. Classification des pannes de batteries au lithium

Afin d'éviter la dégradation des performances mentionnée ci-dessus et batterie problèmes de sécurité, il est impératif d'effectuer une analyse des défaillances des batteries au lithium. La défaillance de batterie au lithium fait référence à la détérioration des performances de la batterie ou à une utilisation anormale des performances causée par certaines raisons essentielles spécifiques, qui sont divisées en défaillance de performances et défaillance de sécurité.

Les défaillances de performances comprennent la baisse de capacité, la diminution de la durée de vie du cycle, une tension anormale, un courant anormal, une résistance interne excessive, une autodécharge, un vieillissement à haute et basse température, de faibles performances de débit et une mauvaise cohérence.

Les défaillances de sécurité comprennent l'emballement thermique, le court-circuit, la fuite de liquide, la flatulence, l'évolution du lithium, la déformation par dilatation, la perforation (extrusion).

2. Raisons de l’échec de piles au lithium

Les raisons de l’échec de piles au lithium peut être divisé en causes internes et externes.

Les facteurs internes se réfèrent principalement à la nature des changements physiques et chimiques de la défaillance. L'échelle de recherche peut être retracée jusqu'aux échelles atomique et moléculaire, et les changements thermodynamiques et cinétiques du processus de défaillance sont étudiés.

Les facteurs externes comprennent l’impact, l’acupuncture, la corrosion, la combustion à haute température, les dommages causés par l’homme et d’autres facteurs externes.

3. Analyse des performances et des mécanismes de défaillance courants piles au lithium

défaillance de la capacité

« Dans le test de durée de vie du cycle standard, la capacité de décharge ne doit pas être inférieure à 90% de la capacité initiale lorsque le nombre de cycles atteint 500. Ou la capacité de décharge ne doit pas être inférieure à 80% de la capacité initiale lorsque le nombre de cycles atteint 1000. » Si la capacité diminue brusquement, cela appartient à la défaillance par dégradation de capacité.

La cause profonde de batterie La défaillance due à la dégradation de la capacité est la défaillance des matériaux et est étroitement liée à des facteurs objectifs tels que le processus de fabrication de la batterie et batterie Environnement d'utilisation. Du point de vue matériel, les principales raisons de la défaillance sont la défaillance structurelle du matériau de l'électrode positive, la croissance transitoire du SEI sur la surface de l'électrode négative, la décomposition et la détérioration de l'électrolyte, la corrosion du collecteur de courant et les traces d'impuretés dans le système.

Défaillance structurelle des matériaux de cathode : Les défaillances structurelles des matériaux de cathode comprennent la rupture des particules des matériaux de cathode, les transitions de phase irréversibles et le désordre des matériaux. Pendant le processus de charge et de décharge de LiMn2O4, la structure de LiMn2O4 sera déformée en raison de l'effet Jahn-Teller, et même les particules seront brisées, ce qui entraînera la défaillance du contact électrique entre les particules. Le matériau LiMn1,5Ni0,5O4 subira une transition de phase de « système tétragonal-cubique » pendant le processus de charge et de décharge. Pendant le processus de charge et de décharge, le matériau LiCoO2 entrera dans la couche de Li en raison de la transition et de la libération de Li, ce qui entraînera une structure en couches désordonnée, limitant sa capacité.

Défaillance du matériau de l'électrode négative : La défaillance de l'électrode en graphite se produit principalement sur la surface du graphite. La surface du graphite réagit avec l'électrolyte pour produire une interphase électrolytique solide (SEI). Une croissance excessive entraînera une diminution de la teneur en ions lithium dans le système interne de l'électrode. batterie, ce qui entraîne une diminution de la capacité. La défaillance des matériaux d'anode à base de silicium est principalement due aux problèmes de performances du cycle causés par leur énorme expansion volumique.

Défaillance de l'électrolyte : le LiPF6 a une faible stabilité et se décompose facilement, ce qui réduit la teneur en Li+ transférable dans l'électrolyte. Il réagit également facilement avec les traces d'eau dans l'électrolyte pour former du HF, provoquant une corrosion interne de l'électrolyte. batterieUne mauvaise étanchéité à l'air entraîne une détérioration de l'électrolyte, ainsi qu'une modification de la viscosité et de la chromaticité de l'électrolyte, ce qui conduit finalement à une forte baisse des performances de transport des ions.

Défaillance du collecteur de courant : corrosion du collecteur de courant, diminution de l'adhérence du collecteur de courant. Le HF généré par la défaillance de l'électrolyte mentionné ci-dessus corrodera le collecteur de courant et générera des composés à faible conductivité, entraînant une augmentation du contact ohmique ou une défaillance des matériaux actifs. Pendant le processus de charge et de décharge, une fois la feuille de cuivre dissoute à un faible potentiel, elle se dépose sur la surface de l'électrode positive, ce qu'on appelle la « précipitation du cuivre ». Une forme courante de défaillance du collecteur de courant est que la force de liaison entre le collecteur de courant et le matériau actif est insuffisante, ce qui entraîne le décapage du matériau actif, qui ne peut pas fournir de capacité pour le batterie.

La résistance interne augmente

L'augmentation de la résistance interne de piles au lithium s'accompagnera de défaillances telles qu'une diminution de la densité énergétique, une diminution de la tension et de la puissance, et batterie Génération de chaleur. Les principaux facteurs qui conduisent à l'augmentation de la résistance interne des batteries lithium-ion sont divisés en matériaux de batterie clés et en environnement d'utilisation de la batterie.

Matériaux clés de la batterie : microfissures et écrasement des matériaux de l'électrode positive, destruction des matériaux de l'électrode négative et SEI de surface excessif, vieillissement de l'électrolyte, séparation des matériaux actifs des collecteurs de courant, mauvais contact entre les matériaux actifs et les additifs conducteurs (y compris la perte d'additifs conducteurs), le trou de rétrécissement du diaphragme est bloqué et la soudure du batterie l'onglet est anormal, etc.

Batterie environnement d'utilisation : température ambiante élevée/basse, surcharge et décharge excessive, taux de charge et de décharge élevé, processus de fabrication et structure de conception de la batterie, etc.

Court-circuit interne

Les courts-circuits internes provoquent souvent une autodécharge, une diminution de la capacité, un emballement thermique local et des accidents de sécurité des batteries Li-ion.

Court-circuit entre les collecteurs de courant en cuivre/aluminium : causé par le contact entre les collecteurs de courant positif et négatif causé par des objets étrangers métalliques non coupés perçant le séparateur ou les électrodes pendant la production ou l'utilisation de la batterie, et le déplacement des pièces polaires ou des languettes dans batterie conditionnement.

Court-circuit causé par une défaillance du diaphragme : le vieillissement du diaphragme, l'effondrement du diaphragme, la corrosion du diaphragme, etc. entraîneront une défaillance du diaphragme. Le diaphragme défectueux perd électronique L'isolation ou l'écartement devient plus grand, ce qui fait que les électrodes positives et négatives entrent légèrement en contact, et le réchauffement local devient alors grave. La poursuite de la charge et de la décharge se propagera autour, ce qui entraînera un emballement thermique.

Les impuretés entraînent un court-circuit : si les impuretés de métaux de transition dans la suspension d'électrode positive ne sont pas nettoyées, elles perceront le séparateur ou favoriseront la formation de lithium dendrites dans l'électrode négative, entraînant un court-circuit interne.

Court-circuit causé par les dendrites de lithium : les dendrites de lithium apparaîtront aux endroits où la charge locale n'est pas uniforme pendant le cycle long, et les dendrites pénètrent dans le séparateur et provoquent des courts-circuits internes.

En cours de batterie La conception et la fabrication ou l'assemblage de la batterie, une conception déraisonnable ou une pression locale excessive peuvent également entraîner des courts-circuits internes. Des courts-circuits internes peuvent également se produire sous l'effet d'un dépassement ou d'une décharge excessive de la batterie.

production de gaz

Pendant la batterie processus de formation, le phénomène de production de gaz qui se produit lorsque l'électrolyte est consommé pour former un film SEI stable est une production de gaz normale, mais le phénomène de consommation excessive d'électrolyte pour libérer du gaz ou la libération d'oxygène des matériaux d'électrode positive est une production de gaz anormale. Cela se produit souvent dans les batteries à emballage souple, ce qui entraînera une pression interne excessive et une déformation de la batterie, rupture du film d'aluminium de l'emballage et problèmes de contact interne des cellules.

L'humidité résiduelle dans l'électrolyte ou le matériau actif de l'électrode n'est pas séchée, ce qui entraîne la décomposition de l' lithium Le sel dans l'électrolyte génère du HF, qui corrode le collecteur de courant Al et détruit le liant pour générer de l'hydrogène. La décomposition électrochimique des esters ou éthers en chaîne/cycliques dans l'électrolyte provoquée par une plage de tension inappropriée produira du C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, etc.

Emballement thermique

L'emballement thermique fait référence à l'augmentation rapide de la température locale ou globale à l'intérieur de l' batterie lithium-ion, la chaleur ne peut pas être dissipée à temps, une grande quantité de chaleur s'accumule à l'intérieur et d'autres réactions secondaires sont induites. Les facteurs qui induisent l'emballement thermique des batteries au lithium sont des conditions de fonctionnement anormales, c'est-à-dire des abus, des courts-circuits, des taux élevés, des températures élevées, des extrusions et des acupunctures.

Précipitation du lithium

La précipitation du lithium est la précipitation de métaux lithium sur la surface de l'électrode négative de la batterie, ce qui est un phénomène de défaillance de vieillissement courant des batteries au lithium. La précipitation du lithium réduira les ions lithium actifs à l'intérieur de la batterie, entraînant une défaillance de la capacité, et formera des dendrites pour percer le séparateur, ce qui entraînera une production excessive de courant local et de chaleur, et finalement entraînera des problèmes de sécurité de la batterie.

L'analyse des défaillances de la Chine a été systématiquement développée dans le domaine des machines et de l'aviation, mais n'a pas été systématiquement étudiée dans le domaine des batteries au lithium. Batterie Les entreprises et les fabricants de matériaux effectuent des recherches sur l'analyse des défaillances des batteries lithium-ion, mais elles se concentrent principalement sur la recherche et le développement de processus et de matériaux de fabrication de batteries, dans le but direct d'améliorer les performances des batteries et de réduire batterie À l'avenir, l'institut de recherche et les entreprises concernées pourront renforcer la coopération et les échanges, et s'efforcer d'établir et d'améliorer l'arbre des défaillances et le processus d'analyse des défaillances des batteries lithium-ion.