近年来新能源汽车产业发展迅速,安全问题作为产业健康发展的根基也越来越受到行业的关注。随着新能源汽车的爆发式上升,我国新能源汽车保有量已超过200万辆,安全问题变得更加敏感,若不能有效控制安全事故的发生,新能源汽车产业的发展也必然受到影响。
市场监督管理总局的消息显示,2018年以来我国已发生新能源汽车起火事件40余起。而大部分新能源汽车安全事故,都是由于动力锂电池出现了问题。在行业内,动力锂电池发生故障有一种专业说法,叫电池失效。今天电车资源就用一文带大家一起了解一下什么是锂离子电池失效。
电池，离子电池失效
锂离子电池失效,指由某些特定的本质原因引起的电池性能衰减或使用性能异常,它可能发生在生产、运输、使用中的任何一个环节,不仅会影响电池的性能,甚至会引发起火、爆炸等安全问题。锂离子电池失效根据影响类型的不同,可以分为性能失效和安全性失效。其出现的重要原因也分为两种,分别是内因和外因:内因包括物理失效、化学变化等,外因包括高温、撞击、针刺、人为损坏等。接下来电车资源将为大家详细介绍数种常见的锂离子电池失效,包括容量衰减失效、内短路、内阻增大、热失控等。
容量衰减失效
一般在进行标准循环寿命测试时,在循环次数达到500次后,电池容量不应低于初始值的90%,达到1000次后,不应低于初始值的80%,如容量不符合该标准出现衰减过度的现象,则属于容量衰减失效。锂离子电池的容量衰减失效分为可逆容量衰减和不可逆容量衰减。其中可逆衰减能够通过调整电池的充放电制度及改善电池的使用环境等方法恢复损失的容量,不可逆衰减因为是电池内部发生了不可逆的变化出现了无法恢复的容量损失,因此无法挽救。
电池容量衰减的重要原因在于材料失效,也和电池的制造工艺、使用环境等客观因素有不可分割的联系。从材料角度来说,造成容量衰减失效的成因有正极材料失效、负极表面SEI过渡生产、电解液失效、集流体失效等等。
内短路
内短路往往会引起锂离子电池的自放电,容量衰减,局部热失控以及引起安全事故。在电池内部发生短路期间,两种电极材料以电子方式在内部互连,导致局部高电流密度。锂离子电池中发生内部短路可能是锂枝晶的形成或压缩冲击等情况引起的。长时间的内部短路会导致自放电及局部温度上升,局部温度上升出现的影响非常显著,因为假如温度超出某一阈值,电解质可能通过放热反应开始分解,从而引起热失控,具有潜在的健康和安全隐患。
电池，离子电池失效
内阻增大
锂离子电池内阻与电池内部电子传输和离子传输过程有关,重要分为欧姆电阻和极化内阻,极化内阻重要由电化学极化引发,又分为电化学极化和浓差极化。当电池内阻增大时,伴随而生的还有能量密度下降、电压功率下降、电池产热等失效问题。影响其出现的重要因素有电池关键材料与电池使用环境,但关键材料出现异常是内阻增大的根本影响因素。
热失控
热失控是一个能量正反馈循环过程:升高的温度会导致系统变热,系统变热升高温度,这又反过来又让系统变得更热。锂离子电池热失控则是指电池内部局部或整体的温度急速上升热量不能及时散去,大量积聚在内部,并诱发进一步的副反应。参与热失控反应的是锂离子电池中的氧化钴化学物。加热这种化学物达到一定温度,它就开始自发热,然后发展成起火和爆炸。在某些情况下,这种有机电解液释放压力会导致电池破裂。假如暴露在高温环境下,或者是遇到火花,它也有可能会燃烧。为了防止热失控现象的发生,一般会采用PTC、安全阀、导热膜等措施,但更重要的是完善电池在设计、制造的技术,及使用的方法。
电池，离子电池失效
产气
锂离子电池产气有两种,分别是正常产气和异常产气,在电池化成工艺过程中消耗电解液形成稳定SEI膜所发生的产气现象为正常产气,过渡消耗电解液释放气体或正极材料释氧等现象属于异常产气。在锂离子电池组装完成后,预化成过程中会出现少量气体,这些气体是不可防止的,也是所谓的电芯不可逆容量损失来源。在首次充放电过程中,电子由外电路到达负极后会与负极表面的电解液发生氧化还原反应,生成气体。
析锂
锂离子电池在充电过程中,锂离子会从正极脱嵌并嵌入负极,但当发生异常情况造成从正极脱嵌的锂离子无法嵌入负极的话,锂离子就只能析出在负极表面,形成一层灰色的物质,这就是析锂。析锂的原因有很多种,包括负极余量不够、正负极涂面不均匀、低温环境充电、大倍率充电等等。目前重要是通过加入电解液添加剂、人造SEI、高盐度电解液、结构化负极、优化电池结构来抑制析锂失效的出现。标准循环寿命测试时，循环次数达到500次时放电容量应不低于初始容量的90%。或者循环次数达到1000次时放电容量不应低于初始容量的80%，若在标准循环范围内，容量出现急剧下降现象均属于容量衰减失效。
电池容量衰减失效的根源在于材料的失效，同时与电池制造工艺、电池使用环境等客观因素有紧密联系。从材料角度看，造成失效的原因重要有正极材料的结构失效、负极表面SEI过渡生长、电解液分解与变质、集流体腐蚀、体系微量杂质等。
正极材料的结构失效：正极材料结构失效包括正极材料颗粒破碎、不可逆相转变、材料无序化等。LiMn2O4在充放电过程中会因Jahn-Teller效应导致结构发生畸变，甚至会发生颗粒破碎，造成颗粒之间的电接触失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放电过程中会发生四方晶系-立方晶系相转变，LiCoO2材料在充放电过程中由于Li的过渡脱出会导致Co进入Li层，造成层状结构混乱化，制约其容量发挥。
负极材料失效：石墨电极的失效重要发生在石墨表面，石墨表面与电解液反应，生产固态电解质界面相（SEI），假如过度生长会导致电池内部体系中锂离子含量降低，结果就是导致容量衰减。硅类负极材料的失效重要在于其巨大的体积膨胀导致的循环性能问题。
电解液失效：LiPF6稳定性差，容易分解使电解液中可迁移Li+含量降低。它还容易和电解液中的痕量水反应生成HF，造成电池内部被腐蚀。气密性不好引起电解液变质，电解液黏度和色度都发生变化，最终导致传输离子性能急剧下降。
集流体的失效：集流体腐蚀、集流体附着力下降。上述电解液失效生成的HF会对集流体造成腐蚀，生成导电性差的化合物，导致欧姆接触增大或活性物质失效。充放电过程中Cu箔在低电位下被溶解后，沉积在正极表面，这就是所谓的析铜。集流体失效常见的形式是集流体与活性物之间的结合力不够导致活性物质剥离，不能为电池供应容量。
