Classificazione dei guasti delle batterie al litio e causa del guasto

Sullo sfondo della crisi energetica e dell’inquinamento ambientale, batterie agli ioni di litio, come fonte energetica ideale per lo sviluppo nel 21° secolo, hanno ricevuto sempre più attenzione. Tuttavia, alcuni fenomeni di guasto possono verificarsi nella produzione, nel trasporto e nell'uso delle batterie agli ioni di litio. Inoltre, il guasto di una singola batteria influirà sulle prestazioni e sull'affidabilità dell'intero pacco batteria e persino causerà l'interruzione del funzionamento del pacco batteria o altri problemi di sicurezza.

Negli ultimi anni si sono verificati molti incendi ed esplosioni correlati alle batterie in patria e all'estero: l'incendio dell'auto elettrica Tesla Model S negli Stati Uniti, l'incendio della batteria del telefono cellulare Samsung Note7, l'incendio nella fabbrica di elettronica Forte di Wuhan, l'incendio nella fabbrica Samsung SDI di Tianjin, ecc...

1. Classificazione di batteria al litio fallimento

Per evitare i suddetti problemi di degradazione delle prestazioni e di sicurezza della batteria, è fondamentale effettuare un'analisi dei guasti della batteria al litio. I guasti della batteria al litio si riferiscono alla degradazione delle prestazioni della batteria o alle prestazioni di utilizzo anomale causate da alcuni motivi essenziali specifici, e si dividono in guasti delle prestazioni e guasti della sicurezza.

I cali di prestazioni includono calo di capacità, attenuazione del ciclo di vita, tensione anomala, corrente anomala, resistenza interna eccessiva, autoscarica, invecchiamento dovuto ad alte e basse temperature, scarse prestazioni di velocità e scarsa coerenza.

I guasti di sicurezza includono fuga termica, cortocircuito, perdita di liquido, flatulenza, sviluppo di litio, deformazione da espansione e foratura (schiacciamento).

2. Cause del guasto delle batterie al litio

Le cause del guasto delle batterie al litio possono essere suddivise in interne ed esterne.

La causa interna si riferisce principalmente alla natura dei cambiamenti fisici e chimici del guasto. La scala di ricerca può essere fatta risalire alle scale atomiche e molecolari per studiare i cambiamenti termodinamici e dinamici del processo di guasto.

I fattori esterni includono l'impatto, l'agopuntura, la corrosione, la combustione ad alta temperatura, i danni provocati dall'uomo e altri fattori esterni.

3. Analisi delle prestazioni di guasto comuni e del meccanismo di guasto delle batterie al litio

Guasto per perdita di capacità

"Nel test di durata del ciclo standard, la capacità di scarica non deve essere inferiore a 90% della capacità iniziale quando il numero di cicli raggiunge 500 volte. Oppure la capacità di scarica non deve essere inferiore a 80% della capacità iniziale quando il numero di cicli se rientra nell'intervallo del ciclo standard, il fenomeno di un brusco calo della capacità è un guasto dell'attenuazione della capacità.

La causa principale di capacità della batteria il guasto da decadimento è il guasto dei materiali ed è strettamente correlato a fattori oggettivi quali il processo di fabbricazione della batteria e l'ambiente di utilizzo della batteria. Dal punto di vista dei materiali, le principali ragioni del guasto sono il guasto strutturale del materiale dell'elettrodo positivo, la crescita transitoria di SEI sulla superficie dell'elettrodo negativo, la decomposizione e il deterioramento dell'elettrolita, la corrosione del collettore di corrente e le tracce di impurità del sistema.

Guasto strutturale del materiale dell'elettrodo positivo: Il cedimento strutturale del materiale dell'elettrodo positivo include lo schiacciamento delle particelle del materiale dell'elettrodo positivo, la transizione di fase irreversibile, il disordine del materiale, ecc. Durante il processo di carica e scarica di LiMn2O4, la struttura di LiMn2O4 verrà distorta a causa dell'effetto Jahn-Teller e le particelle potrebbero persino rompersi, causando il fallimento del contatto elettrico tra le particelle. Il materiale LiMn1.5Ni0.5O4 subirà una transizione di fase del "sistema cristallino cubico tetragonale" durante il processo di carica e scarica. Il materiale LiCoO2 entrerà nello strato di Li a causa della transizione di Li durante la carica e processo di scarico, rendendo caotica la struttura a strati, limitandone la capacità.

Guasto del materiale dell'anodo: il guasto dell'elettrodo di grafite si verifica principalmente sulla superficie della grafite. La superficie della grafite reagisce con l'elettrolita per produrre la fase di interfaccia dell'elettrolita solido (SEI). Se una crescita eccessiva porterà a una diminuzione della litio contenuto di ioni nel sistema interno della batteria, il risultato è un calo di capacità. Il fallimento dei materiali degli anodi in silicio è dovuto principalmente ai problemi di prestazioni del ciclo causati dalla loro enorme espansione di volume.

Guasto dell'elettrolita: LiPF6 ha una scarsa stabilità ed è facile da decomporre per ridurre la quantità di migrazione di Li+ nell'elettrolita. Reagisce anche facilmente con tracce di acqua nell'elettrolita per generare HF, causando corrosione all'interno della batteria. Una scarsa tenuta all'aria provoca il deterioramento dell'elettrolita e la variazione della viscosità e della cromaticità dell'elettrolita, che alla fine porta a un brusco calo delle prestazioni di trasporto degli ioni.

Guasto del collettore di corrente: il collettore di corrente si corrode e l'adesione del collettore di corrente diminuisce. L'HF generato dal guasto dell'elettrolita corroderà il collettore di corrente e genererà composti con scarsa conduttività, con conseguente aumento del contatto ohmico o guasto del materiale attivo. Durante il processo di carica e scarica, la lamina di Cu viene dissolta a un basso potenziale e depositata sulla superficie dell'elettrodo positivo, che è la cosiddetta "precipitazione di rame". La forma comune di guasto del collettore di corrente è che la forza di legame tra il collettore di corrente e il materiale attivo è insufficiente, il che provoca il distacco del materiale attivo e non può fornire capacità per la batteria.

Aumento della resistenza interna

L'aumento della resistenza interna delle batterie al litio sarà accompagnato da problemi di guasto come una diminuzione della densità energetica, una diminuzione della tensione e della potenza e la generazione di calore della batteria. I principali fattori che portano all'aumento della resistenza interna delle batterie agli ioni di litio sono suddivisi in materiali chiave della batteria e ambiente di utilizzo della batteria.

Materiali chiave della batteria: microcricche e rottura del materiale dell'elettrodo positivo, distruzione del materiale dell'elettrodo negativo ed eccessivo SEI superficiale, invecchiamento dell'elettrolita, separazione del materiale attivo e del collettore di corrente, deterioramento del contatto del materiale attivo e degli additivi conduttivi (inclusa la perdita di additivi conduttivi), foro di restringimento del diaframma ostruito, saldatura anomala delle linguette della batteria, ecc.

Ambiente di utilizzo della batteria: temperatura ambiente troppo alta/bassa, sovraccarico e scarica eccessiva, velocità di carica e scarica elevata, processo di fabbricazione e struttura di progettazione della batteria, ecc.

Cortocircuito interno

I cortocircuiti interni causano spesso autoscarica, degradazione della capacità, fuga termica locale e incidenti di sicurezza nelle batterie agli ioni di litio.

Cortocircuito tra i collettori di corrente in rame/alluminio: corpi estranei metallici non tagliati perforano il diaframma o l'elettrodo durante la produzione o l'uso della batteria e lo spostamento dei poli o delle linguette nel pacco batteria provoca il contatto tra i collettori di corrente positiva e negativa.

Cortocircuito causato da guasto del diaframma: invecchiamento del diaframma, collasso del diaframma, corrosione del diaframma, ecc. causeranno il guasto del diaframma. Il diaframma guasto perde l'isolamento elettrico o lo spazio diventa un micro-contatto tra gli elettrodi positivo e negativo. Quindi si verificherà un forte riscaldamento locale e la carica e la scarica continue si diffonderanno all'ambiente circostante. , Con conseguente fuga termica.

Le impurità causano cortocircuiti: la mancata rimozione delle impurità dei metalli di transizione nella sospensione dell'elettrodo positivo causerà la perforazione del separatore o favorirà la formazione di dendriti di litio nell'elettrodo negativo, causando cortocircuiti interni.

Cortocircuito causato dai dendriti di litio: Litio I dendriti appariranno nei punti in cui le cariche locali sono irregolari durante il ciclo lungo e penetreranno nel diaframma causando cortocircuiti interni.

Nel processo di progettazione e fabbricazione della batteria o di assemblaggio del pacco batteria, una progettazione irragionevole o una pressione locale eccessiva possono anche causare cortocircuiti interni. Il cortocircuito interno si verificherà anche sotto l'induzione di sovraelongazione e sovrascarica della batteria.

Produzione di gas

Durante il processo di formazione della batteria, il fenomeno di produzione di gas che si verifica quando l'elettrolita viene consumato per formare una pellicola SEI stabile è una normale produzione di gas, ma il fenomeno del consumo eccessivo di elettrolita e del rilascio di ossigeno dal materiale del catodo è una produzione di gas anomala. Spesso si verifica nelle batterie soft pack, che causeranno una pressione interna della batteria troppo elevata e deformeranno, romperanno la pellicola di alluminio dell'imballaggio e causeranno problemi di contatto interno alla batteria.

Traccia di umidità nell'elettrolita o nel materiale attivo dell'elettrodo non è essiccato, causando la decomposizione del sale di litio nell'elettrolita per produrre HF, corrodere il collettore di corrente Al, distruggere il legante e produrre idrogeno. La decomposizione elettrochimica di esteri o eteri a catena/ciclici nell'elettrolita causata da un intervallo di tensione improprio produrrà C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, ecc.

Instabilità termica

La fuga termica si riferisce al rapido aumento della temperatura interna o complessiva dell' batteria agli ioni di litio, e il calore non può essere dissipato in tempo, e una grande quantità di esso si accumula all'interno e induce ulteriori reazioni collaterali. I fattori che inducono la fuga termica delle batterie al litio sono condizioni operative anomale, come abuso, cortocircuito, ingrandimento elevato, temperatura elevata, estrusione e agopuntura.

Litio

La precipitazione del litio è la precipitazione di litio metallico sulla superficie dell'elettrodo negativo della batteria, che è un fenomeno comune di invecchiamento e guasto delle batterie al litio. L'evoluzione del litio ridurrà gli ioni di litio attivi nella batteria, causando un guasto della capacità e la formazione di dendriti che perforano il diaframma, il che causerà una generazione eccessiva di corrente e calore locale e, in ultima analisi, causerà problemi di sicurezza della batteria.