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鋰電池失效分析流程

更新時(shí)間：2024-06-28瀏覽：523次

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開(kāi)始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋰電池已經(jīng)成為了主流.


鋰電池測(cè)試分析流程



1.外觀檢查

對(duì)電池的外觀進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否存在破損、腐蝕及燃燒過(guò)等影響完整性導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行充放電的問(wèn)題，也可以判斷電池經(jīng)歷過(guò)的部分外部環(huán)境條件，如針刺、擠壓、過(guò)熱等。若不存在，可以繼續(xù)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；若存在，則難以進(jìn)行電化學(xué)性能表征，只能進(jìn)行部分原位測(cè)試表征或直接進(jìn)行有損檢測(cè)。

2.無(wú)損檢測(cè)

確定電池完整，沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重影響其工作或安全性的問(wèn)題，可以對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)性能的測(cè)試，如對(duì)其剩余容量、內(nèi)部阻抗等測(cè)試，通過(guò)電化學(xué)性能方面的測(cè)試可以獲得一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)以幫助判斷其失效原因。此外，可以采用一些原位的測(cè)試方法在不破壞電池的條件下盡量多獲得一些其內(nèi)部的信息（如其內(nèi)部是否有破損和內(nèi)部活性材料的物相等），以幫助判斷其失效的可能原因從而確定后續(xù)的測(cè)試表征方法。

3.有損檢測(cè)

在通過(guò)判斷外觀有破損或完成無(wú)損檢測(cè)后則是對(duì)電池進(jìn)行拆解，獲得其內(nèi)部組件，然后進(jìn)行針對(duì)性測(cè)試和表征。其中需要注意的是對(duì)組件的預(yù)處理方式，例如：①拆解電池時(shí)需要惰性氣氛保護(hù)；②活性材料與集流體、黏結(jié)劑的分離及清洗；③隔膜上殘留電解液去除時(shí)防止可能附著的副產(chǎn)物被去除；④拆解時(shí)電解液/氣體的收集等。
拆解后的測(cè)試對(duì)象主要是正負(fù)極極片、隔膜、電解液、產(chǎn)生的氣體、集流體和其他組件。其中對(duì)正負(fù)極極片需要對(duì)活性物質(zhì)的性質(zhì) （形貌、結(jié)構(gòu)、成分等）進(jìn)行表征，然后將其組裝扣式半電池進(jìn)行性能 （克容量、阻抗等）測(cè)試。此外根據(jù)失效的表現(xiàn)可以分離黏結(jié)劑、活性材料等進(jìn)行具體的分析。
隔膜則需要進(jìn)行形貌和表面元素分析，另外可將其組裝成扣式電池進(jìn)行性能 （通過(guò)阻抗等分析其離子電導(dǎo)率）測(cè)試。對(duì)電解液、氣體及可能獲得的極片、隔膜表面殘留物，則需要進(jìn)行成分分析，結(jié)合分析電池內(nèi)部可能發(fā)生的反應(yīng)。

4.綜合分析

完成有損檢測(cè)后，結(jié)合對(duì)電池整體的性能（如果有）測(cè)試和對(duì)各組件的測(cè)試和表征，綜合分析電池所發(fā)生的失效類型及造成的具體原因。

鋰電池失效的主要原因



鋰電池的失效原因主要可以分為兩大類，一類是鋰離子電池本身的制造缺陷等，而另一類則是外界環(huán)境（包括電池使用過(guò)程、工作環(huán)境等）。
鋰電池本身原因：①性能衰減，正負(fù)極活性材料失效、隔膜老化、電解液消耗、黏結(jié)劑失效和集流體腐蝕等；②產(chǎn)氣，組裝時(shí)有殘留痕量水、漿料中有其他活性雜質(zhì)、集流體腐蝕等；③熱失控，正極材料不穩(wěn)定分解產(chǎn)生氧氣與電解液反應(yīng)放熱、隔膜和外殼等組件無(wú)法快速散熱導(dǎo)致熱積聚；④內(nèi)短路，組裝時(shí)集流體發(fā)生位移導(dǎo)致直接接觸、隔膜老化失效無(wú)法絕緣電子、漿料中有金屬雜質(zhì)刺穿隔膜、設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)極容量不足導(dǎo)致鋰枝晶形成刺穿隔膜。
外界環(huán)境原因：①性能衰減，工作溫度過(guò)高過(guò)低、過(guò)充過(guò)放；②產(chǎn)氣，工作溫度過(guò)高、穿刺；③熱失控，工作電流過(guò)高、工作溫度過(guò)高、外短路、穿刺、過(guò)充過(guò)放；④內(nèi)短路，過(guò)充過(guò)放、穿刺、擠壓。

即使是外界環(huán)境的原因，絕大多數(shù)也會(huì)間接通過(guò)電池內(nèi)部組件的一些反應(yīng)、變化造成電池失效，因此對(duì)電池本身的無(wú)損檢測(cè)和拆解后的組件有損檢測(cè)非常重要，可以從根本上獲得電池失效的原因。

鋰電池失效分析的難點(diǎn)




鋰電池失效原因與失效之間并不是簡(jiǎn)單的“一對(duì)一"模式，還有“一對(duì)多"、“多對(duì)一"、“多對(duì)多"等多維關(guān)系。此外，引起鋰電池失效的原因分為內(nèi)因和外因，可以是來(lái)自組成材料本身的結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)的變化，也可以是設(shè)計(jì)制造、使用環(huán)境、時(shí)間跨度等復(fù)雜因素。因此，鋰電池的失效原因和失效之間的構(gòu)效關(guān)系十分復(fù)雜，如圖所示。例如，正/負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)變化或破壞，都會(huì)產(chǎn)生容量上的衰減、倍率性能下降、內(nèi)阻增大等問(wèn)題；隔膜老化、刺穿是電池內(nèi)短路的重要因素；電池的設(shè)計(jì)，極片涂布、滾壓、卷繞等過(guò)程都直接與電池容量及倍率性能的發(fā)揮密切相關(guān)；高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)生分解變質(zhì)，也會(huì)引起容量衰減、內(nèi)阻增大、產(chǎn)氣等問(wèn)題。故想用單一失效原因去描述并剖析失效是不正確的，且需要用定量角度剖析多種失效原因在某一階段的影響權(quán)重和主次關(guān)系，才能對(duì)失效電池進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，并針對(duì)性地提出合理的措施。