锂电干货 | 锂电池失效原因！

  锂离子电池作为21世纪发展起来的理想能源，在能源危机和环境污染的背景下，越来越受到人们的关注。但锂离子电池在生产、运输、使用过程中会出现容量衰减、内阻增大、倍率性能降低、气体泄漏、液体泄漏、短路、变形、热失控、锂分析等故障，严重降低锂离子电池的使用性能、可靠性、安全性，单电池故障也会影响整个电池组的性能，甚至导致电池组停止工作或造成其他安全问题。

  一、锂电池故障分类

  为了避免锂电池性能衰减引起的安全问题，必须进行锂电池故障分析。锂电池故障是指由某些特定的本质原因引起的性能衰减或使用性能异常，分为性能故障和安全故障。

  二、失效原因

  锂电池故障的原因可分为内外因素。

  内因主要是指失效的物理化学变化的本质。研究规模可追溯到原子和分子规模，研究失效过程中的热力学和动力学变化。

  外因包括冲击、 ** 、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素。

  三、常见失效及其失效机理分析

  (1)容量衰减

  容量衰减主要分为可逆容量衰减和不可逆容量衰减。可逆容量衰减可以通过调整电池充放电系统和改善电池使用环境来恢复损失的容量；不可逆容量衰减是电池内部不可逆变化造成的不可逆容量损失。电池容量衰减失效的根源在于材料失效，与电池制造工艺、电池使用环境等客观因素密切相关。从材料的角度来看，故障的主要原因是正极材料的结构故障和负极表面SEI过渡生长、电解质分解变质、集流腐蚀、系统微量杂质等。

  (2)内阻增大

  锂离子电池的内阻与电池系统的内部电子传输和离子传输过程有关，主要分为欧姆电阻和极化内阻，其中极化内阻主要由电化学极化引起，有两种电化学极化和浓度差极化。导致锂离子电池内阻增加的主要因素分为关键电池材料和电池使用环境。中国科技大学奎永春利用同步辐射技术提出了电势滞后和电压衰减的跳跃机制，表明关键材料的异常是内阻增加和电池极化的根本影响因素。

  （3）内短路

  短路的表现可分为：①铜/铝集流体短路；②隔膜故障失去电子绝缘或间隙变大，使正负微接触，局部发热严重。在进一步充放电过程中，可能会扩散到周围，形成热失控；③过渡性金属杂质在正极浆料中未去除，刺穿隔膜，或促进负极锂枝晶的产生，导致内短路；④锂枝晶体会导致内部短路。此外，在电池设计、制造或电池组装过程中，不合理的设计和局部压力过大也会导致内部短路。电池过充放电也会导致内部短路，主要是由于集流腐蚀和电极表面沉积。在严重情况下，正负极将通过隔膜连接。

  过放诱导下的内短路

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  （4）产气

  锂离子电池产气主要分为正常产气和异常产气。SEI膜产生的气体现象是正常的气体产生。化学阶段的气体产生主要是由酯类单/双电子反应引起的H2、CO2、C2H2等等。异常气体输出主要是在电池循环过程中，过渡消耗电解质释放气体或正极材料释放氧气，通常发生在软包装电池中，导致电池内部压力过大和变形，打破包装铝膜，内部电池接触问题等。

  （5）热失控

  热失控是指锂离子电池局部或整体温度迅速上升，热量不能及时分散，大量积聚在内部，诱发进一步的副作用。为了防止锂离子电池因热失控而造成严重的安全问题，经常使用PTC、在电池设计、电池制造工艺、电池管理系统、电池使用环境等方面，需要系统考虑安全阀、导热膜等措施。

      电池内常见的热行为

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  (6)析锂

  锂分析是锂离子电池老化失效的常见现象。表现形式主要是负极片表面出现一层灰色、灰色或灰蓝色物质，是负极表面沉淀的金属锂。清华大学张强指出，影响枝晶生长的主要因素是电流密度、温度和功率，通过添加电解质添加剂和人工添加剂SEI、抑制枝晶生长的措施，如高盐浓度电解液、结构化负极、优化电池结构设计等。

  失效电池常见锂分析现象

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  锂离子电池应用广泛，从移动电脑等移动终端到电动公交车和大规模储能。自国内外多起移动电动汽车火灾爆炸事故以来，可靠性和安全性与其性能一样重要。我国的故障分析在机械和航空领域得到了系统的发展，但在锂电池领域尚未得到系统的研究，仍面临着许多问题。电池企业和材料企业对锂离子电池故障分析进行了自己的研究，但主要关注电池制造技术和材料的研发和制备，以提高电池性能和降低电池成本为直接目标。未来，研究所可以加强与相关企业的合作和沟通，努力建立和完善锂离子电池故障树和故障分析过程。

  主要参考文献：王其钰等锂离子电池故障分析概述