Classificazione dei guasti delle batterie al litio e cause dei guasti

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

Negli ultimi anni ci sono stati molti batteria-incidenti causati da incendi ed esplosioni in patria e all'estero: l'incendio del veicolo elettrico Tesla Model S negli Stati Uniti, l'incendio della batteria del telefono cellulare Samsung Note7, l'incendio della fabbrica di elettronica Fute di Wuhan, l'incendio della fabbrica Samsung SDI di Tianjin, ecc...

1. Classificazione dei guasti delle batterie al litio

Per evitare il degrado delle prestazioni sopra menzionato e batteria problemi di sicurezza, è indispensabile effettuare un'analisi dei guasti delle batterie al litio. Il guasto di batteria al litio si riferisce al deterioramento delle prestazioni della batteria o alle prestazioni di utilizzo anomale causate da alcune specifiche ragioni essenziali, che si dividono in guasti delle prestazioni e guasti della sicurezza.

I cali di prestazioni includono calo di capacità, decadimento 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, foratura (estrusione).

2. Motivi del fallimento dell' batterie al litio

Le ragioni del fallimento di batterie al litio possono essere divise in cause interne ed esterne.

I fattori interni si riferiscono principalmente alla natura dei cambiamenti fisici e chimici del guasto. La scala di ricerca può essere fatta risalire alle scale atomiche e molecolari e vengono studiati i cambiamenti termodinamici e cinetici 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 di batterie al litio

guasto di dissolvenza della 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. Oppure la capacità di scarica non deve essere inferiore a 80% della capacità iniziale quando il numero di cicli raggiunge 1000." Se la capacità diminuisce bruscamente, appartiene al guasto del decadimento della capacità.

La causa principale di batteria Il decadimento della capacità è il fallimento dei materiali ed è strettamente correlato a fattori oggettivi come il processo di fabbricazione della batteria e batteria ambiente di utilizzo. Dal punto di vista materiale, le principali cause 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 nel sistema.

Guasto strutturale dei materiali catodici: i guasti strutturali dei materiali catodici includono la rottura delle particelle dei materiali catodici, transizioni di fase irreversibili e disordine del materiale. Durante il processo di carica e scarica di LiMn2O4, la struttura di LiMn2O4 verrà distorta a causa dell'effetto Jahn-Teller e persino le particelle verranno rotte, con conseguente guasto del contatto elettrico tra le particelle. Il materiale LiMn1.5Ni0.5O4 subirà una transizione di fase "sistema cubico tetragonale" durante il processo di carica e scarica. Durante il processo di carica e scarica, il materiale LiCoO2 entrerà nello strato di Li a causa della transizione e del rilascio di Li, con conseguente struttura a strati disordinata, limitandone la capacità.

Guasto del materiale dell'elettrodo negativo: il guasto dell'elettrodo di grafite si verifica principalmente sulla superficie della grafite. La superficie della grafite reagisce con l'elettrolita per produrre un'interfase di elettrolita solido (SEI). Una crescita eccessiva porterà a una diminuzione del contenuto di ioni di litio nel sistema interno del batteria, con conseguente calo di capacità. Il fallimento dei materiali anodici a base di 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 e si decompone facilmente, il che riduce il contenuto di Li+ trasferibile nell'elettrolita. Reagisce anche facilmente con tracce di acqua nell'elettrolita per formare HF, causando corrosione interna del batteriaUna scarsa tenuta all'aria provoca il deterioramento dell'elettrolita e la modifica della viscosità e della cromaticità dell'elettrolita, il che alla fine porta a un brusco calo delle prestazioni di trasporto degli ioni.

Guasto del collettore di corrente: corrosione del collettore di corrente, diminuzione dell'adesione del collettore di corrente. L'HF generato dal guasto dell'elettrolita sopra menzionato corroderà il collettore di corrente e genererà composti con scarsa conduttività, con conseguente aumento del contatto ohmico o guasto dei materiali attivi. Durante il processo di carica e scarica, dopo che il foglio di Cu si è dissolto a un basso potenziale, si deposita sulla superficie dell'elettrodo positivo, che è la cosiddetta "precipitazione di rame". Una 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, con conseguente spogliatura del materiale attivo, che non può fornire capacità per il batteria.

La resistenza interna aumenta

L'aumento della resistenza interna di batterie al litio sarà accompagnato da guasti quali una diminuzione della densità energetica, una diminuzione della tensione e della potenza, e batteria generazione di calore. 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: micro-fessure e schiacciamento dei materiali dell'elettrodo positivo, distruzione dei materiali dell'elettrodo negativo ed eccessiva SEI superficiale, invecchiamento dell'elettrolita, separazione dei materiali attivi dai collettori di corrente, scarso contatto tra materiali attivi e additivi conduttivi (inclusa la perdita di additivi conduttivi), il foro di restringimento del diaframma è bloccato e la saldatura del batteria la scheda è anomala, ecc.

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

Cortocircuito interno

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

Cortocircuito tra collettori di corrente in rame/alluminio: causato dal contatto tra collettori di corrente positivi e negativi causato da oggetti estranei metallici non tagliati che perforano il separatore o gli elettrodi durante la produzione o l'uso della batteria e dallo spostamento di poli o linguette in batteria confezione.

Cortocircuito causato da rottura del diaframma: invecchiamento del diaframma, collasso del diaframma, corrosione del diaframma, ecc. porteranno alla rottura del diaframma. Il diaframma rotto perde elettronico isolamento o lo spazio diventa più grande, facendo sì che gli elettrodi positivo e negativo siano leggermente a contatto, e quindi il riscaldamento locale è grave. La carica e la scarica continua si diffonderanno intorno, con conseguente fuga termica.

Le impurità portano a cortocircuiti: se le impurità del metallo di transizione nella sospensione dell'elettrodo positivo non vengono pulite, perforeranno il separatore o favoriranno la formazione di litio dendriti nell'elettrodo negativo, provocando un cortocircuito interno.

Cortocircuito causato dai dendriti di litio: i dendriti di litio appariranno nei punti in cui la carica locale non è uniforme durante il ciclo lungo, e i dendriti penetrano nel separatore e causano cortocircuiti interni.

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

produzione di gas

Durante il batteria processo di formazione, il fenomeno della 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 per rilasciare gas o il rilascio di ossigeno dai materiali dell'elettrodo positivo è una produzione di gas anomala. Si verifica spesso nelle batterie soft-pack, che causeranno una pressione interna eccessiva e la deformazione del batteria, rottura della pellicola di alluminio dell'imballaggio e problemi di contatto interno delle celle.

L'umidità di traccia nell'elettrolita o nel materiale attivo dell'elettrodo non viene essiccata, con conseguente decomposizione dell' litio sale nell'elettrolita per generare HF, che corrode il collettore di corrente Al e distrugge il legante per generare idrogeno. La decomposizione elettrochimica di esteri o eteri a catena/ciclici nell'elettrolita causata da un intervallo di tensione inappropriato produrrà C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, ecc.

Instabilità termica

La fuga termica si riferisce al rapido aumento della temperatura locale o complessiva all'interno dell' batteria agli ioni di litio, il calore non può essere dissipato in tempo, una grande quantità di calore viene accumulata all'interno e vengono indotte ulteriori reazioni collaterali. I fattori che inducono la fuga termica delle batterie al litio sono condizioni operative anomale, ovvero abuso, cortocircuito, alta velocità, alta temperatura, estrusione e agopuntura.

Precipitazione del litio

La precipitazione del litio è la precipitazione di metalli litio sulla superficie dell'elettrodo negativo della batteria, che è un comune fenomeno di invecchiamento delle batterie al litio. La precipitazione del litio ridurrà gli ioni di litio attivi all'interno della batteria, con conseguente guasto della capacità e formerà dendriti per perforare il separatore, il che porterà a una generazione eccessiva di corrente e calore locale e, in ultima analisi, a problemi di sicurezza della batteria.

L'analisi dei guasti della Cina è stata sviluppata sistematicamente nel campo dei macchinari e dell'aviazione, ma non è stata studiata sistematicamente nel campo delle batterie al litio. Batteria Le aziende e le aziende di materiali svolgono ricerche sull'analisi dei guasti delle batterie agli ioni di litio, ma si concentrano principalmente sulla ricerca e sullo sviluppo di processi di produzione e materiali per batterie, con l'obiettivo diretto di migliorare le prestazioni della batteria e ridurle. batteria costi. In futuro, l'istituto di ricerca e le imprese collegate possono rafforzare la cooperazione e gli scambi e impegnarsi a stabilire e migliorare l'albero dei guasti e il processo di analisi dei guasti delle batterie agli ioni di litio.