¿Cuáles son las clasificaciones de falla de la batería de litio y cuáles son las causas de la falla?

En el contexto de la crisis energética y la contaminación ambiental, las baterías de iones de litio han atraído cada vez más la atención como fuente de energía ideal para el desarrollo del siglo XXI. Sin embargo, las baterías de iones de litio pueden tener algunas fallas durante la producción, el transporte y el uso. Además, la falla de una sola batería puede afectar el rendimiento y la confiabilidad de todo el paquete de baterías, e incluso puede hacer que el paquete de baterías deje de funcionar u otros problemas de seguridad.

En los últimos años, ha habido muchos incendios y accidentes de explosión relacionados con baterías en el hogar y en el extranjero: el accidente de incendio del automóvil eléctrico Tesla ModelS de EE. UU., El accidente de incendio de la batería del teléfono móvil SamsungNote7, el incendio de la fábrica electrónica Wuhan Fute, el incendio de la fábrica Tianjin Samsung SDI etc.

1 clasificación de falla de la batería de litio

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. La falla de la batería de litio se refiere a la degradación del rendimiento y la falla de seguridad causadas por ciertas causas esenciales específicas de degradación del rendimiento de la batería o anomalías en el rendimiento.

2 Fallo de la batería de litio

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

Los factores internos se refieren principalmente a los cambios físicos y químicos de la falla. La escala de investigación se remonta a las escalas atómica y molecular, y se estudian la termodinámica y la dinámica del proceso de falla.

Los factores externos incluyen factores externos como impacto, acupuntura, corrosión, combustión a alta temperatura y vandalismo.

3 Análisis del rendimiento de falla común y el mecanismo de falla de la batería de litio

Fallo de atenuación de capacidad

"En el ensayo de ciclo de vida estándar, la capacidad de descarga no será inferior al 90% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos llegue a 500. O la capacidad de descarga no será inferior al 80% de la capacidad inicial cuando el número de ciclos alcanza 1000 ", si en el rango de ciclo estándar la fuerte disminución de la capacidad es una falla en la atenuación de la capacidad.

La causa principal de la atenuación de la capacidad de la batería es la 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 batería. Desde el punto de vista del material, las principales causas de falla son la falla estructural del material del electrodo positivo, el crecimiento de transición SEI de la superficie del electrodo negativo, la descomposición y deterioro del electrolito, la corrosión del colector de corriente y trazas de impurezas en el sistema.

Fallo estructural del material del electrodo positivo: el fallo de la estructura del material del electrodo positivo incluye la rotura de partículas del material del electrodo positivo, transición de fase irreversible, desorden del material y similares. LiMn2O4 se distorsionará debido al efecto Jahn-Teller durante la carga y descarga, e incluso se producirá la rotura de partículas, lo que provocará una falla de contacto eléctrico entre las partículas. El material LiMn1.5Ni0.5O4 experimenta una transición de fase de "sistema tetragonal-cúbico" durante la carga y descarga. El material LiCoO2 conducirá al Co a la capa de Li debido a la transición de Li durante la carga y descarga, lo que resultará en una estructura de capa caótica, lo que restringirá su capacidad de juego.

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

Fallo de electrolito: LiPF6 tiene poca estabilidad y se descompone fácilmente para reducir el contenido de Li + transportable en el electrolito. También reacciona fácilmente con trazas de agua en el electrolito para formar HF, causando corrosión dentro de la batería. La falta de estanqueidad al aire hace que el electrolito se deteriore y la viscosidad y la cromaticidad del electrolito cambien, lo que eventualmente conduce a una fuerte caída en el rendimiento del transporte de iones.

La falla del colector de corriente: la corrosión del colector y la adherencia del colector de corriente disminuyen. El HF generado por la falla del electrolito anterior provoca la corrosión del colector de corriente, lo que da como resultado un compuesto poco conductor, lo que da como resultado un aumento del contacto óhmico o falla del material activo. Durante el proceso de carga y descarga, la lámina de Cu se disuelve a un potencial bajo y se deposita sobre la superficie del electrodo positivo. A esto se le llama "precipitación de cobre". Una forma común de falla en la recolección de fluidos es que la fuerza de unión entre el colector de corriente y el material activo es insuficiente para hacer que el material activo se despegue y no puede proporcionar capacidad para la batería.

Mayor resistencia interna

El aumento de la resistencia interna de una batería de litio se acompaña de fallas como una disminución de la densidad de energía, una caída de voltaje y potencia y generación de calor de la batería. Los principales factores que conducen al aumento de la resistencia interna de las baterías de iones de litio son los materiales clave de la batería y el entorno en el que se utiliza.

Materiales clave de la batería: microfisura y fractura del material del electrodo positivo, daño del material del electrodo negativo y SEI superficial excesivo, envejecimiento del electrolito, desprendimiento del material activo del colector de corriente, deterioro del contacto entre el material activo y el aditivo conductor (incluida la pérdida de aditivos conductores), el orificio de contracción del diafragma está bloqueado, la lengüeta de la batería está soldada de forma anormal y similares.

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

Cortocircuito interno

El cortocircuito interno a menudo causa la autodescarga de la batería de iones de litio, atenuación de la capacidad, fugas térmicas locales y accidentes de seguridad.

Cortocircuito entre colectores de corriente de cobre / aluminio: diafragmas o electrodos perforados de materia extraña de metal que no se recortan durante la producción o el uso de la batería, y el desplazamiento de las piezas polares o lengüetas en el paquete de la batería provocan el contacto entre los colectores de corriente positivos y negativos.

Cortocircuito causado por falla del diafragma: el envejecimiento del diafragma, el colapso del diafragma, la corrosión del diafragma, etc. provocarán una falla del diafragma, la falla del diafragma pierde el aislamiento eléctrico o la brecha se hace grande, lo que hace que los polos positivo y negativo entren en contacto, y luego el el calor local es severo y la carga y la descarga continuarán esparciéndose. , provocando que el calor se salga de control.

Las impurezas provocan un cortocircuito: las impurezas del metal de transición en la suspensión del electrodo positivo no se limpian, lo que puede provocar la perforación del separador o la formación de dendrita del electrodo negativo para provocar un cortocircuito interno.

Cortocircuito causado por dendritas de litio: las dendritas de litio aparecen en lugares donde las cargas locales no son uniformes durante ciclos largos y las dendritas pasan a través del diafragma para causar cortocircuitos internos.

Un diseño irrazonable o una presión parcial excesiva pueden causar cortocircuitos internos en el diseño y fabricación de la batería o en el ensamblaje de la batería. Un cortocircuito interno también puede ocurrir bajo la inducción de sobrecarga y descarga de la batería.

Producción de gas

El fenómeno de producción de gas que ocurre cuando se forma el electrolito durante el proceso de formación de la batería para formar una película SEI estable es la producción de gas normal, pero el fenómeno de consumo transitorio de gas de liberación de electrolito o liberación de oxígeno del material del electrodo positivo es un desinflado anormal. A menudo aparece en baterías de paquete blando, puede causar que la presión interna excesiva de la batería se deforme, rompa la película de aluminio del paquete y entre en contacto con la batería interna.

La traza de humedad en el electrolito o el material activo del electrodo no se seca, lo que da como resultado la descomposición de la sal de litio en el electrolito para producir HF, corroyendo el colector de corriente Al y destruyendo el aglutinante para generar gas hidrógeno. En el intervalo de electrolitos, los ésteres o éteres de cadena / cíclicos en el electrolito pueden descomponerse electroquímicamente y pueden producirse C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, etc.

Escapes térmicos

La fuga térmica significa que la temperatura del interior local o total de la batería de iones de litio aumenta rápidamente, el calor no se puede disipar a tiempo, se acumula una gran cantidad en el interior y se inducen más reacciones secundarias. Los factores que inducen la fuga térmica de las baterías de litio son condiciones de funcionamiento anormales, a saber, abuso, cortocircuito, sobreimpulso, alta temperatura, extrusión y acupuntura.

Comportamiento térmico común dentro de la batería

Litio

La deposición de litio es la precipitación de litio metálico en la superficie del electrodo negativo de la batería, que es un fenómeno común de falla por envejecimiento de las baterías de litio. La deposición de litio reducirá la cantidad de iones de litio activos en la batería, causará fallas de capacidad y formará dendritas que perforan la membrana, lo que provocará una corriente local y una producción excesiva de calor, lo que eventualmente causará problemas de seguridad en la batería.

El análisis de fallas de China se ha desarrollado sistemáticamente en los campos mecánico y aeroespacial, y no se ha estudiado sistemáticamente en el campo de las baterías de litio. Las compañías de baterías y las compañías de materiales han realizado investigaciones sobre el análisis de fallas de las baterías de iones de litio, pero la mayoría de ellas se enfocan en los procesos de fabricación de baterías y la investigación y desarrollo de materiales, con el fin de mejorar el rendimiento de las baterías y reducir los costos de las baterías como un objetivo directo. Los institutos de investigación futuros y las empresas relacionadas pueden fortalecer la cooperación y los intercambios, y esforzarse por establecer y mejorar el árbol de fallas y el proceso de análisis de fallas de las fallas de las baterías de iones de litio.

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