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锂离子聚合物电池失效机理及表现

来源:锂离子聚合物电池 | 作者:友创伟业 | 发布时间: 2021-06-02 | 381 次浏览 | 分享到:
锂离子聚合物电池应用领域十分广泛,比如手机、平板、笔记本电脑等移动终端,自从发生的多起锂电池爆炸事故后,其可靠性、安全性与其性能受到消费者的关注。
 
本文简单介绍锂离子聚合物电池可能存在的失效表现,并从失效机理研究、测试分析手段、失效分析流程设计角度剖析锂聚合物电池失效分析的开展。锂离子聚合物电池失效分析在新型高性能电池的开发过程中起到“反馈”作用,有利于开发研究。
 
商业化的锂离子聚合物电池在使用或储存过程中常出现某些失效现象,包括容量衰减、内阻增大、倍率性能降低、产气、漏液、短路、变形、热失控、析锂等,严重降低了锂聚合物电池的使用性能、可靠性和安全性。这些失效现象是由电池内部一系列复杂的化学和物理机制相互作用引起的。
 
对失效现象的正确分析和理解对锂聚合物电池性能的提升和技术改进有着重要作用。本文以电池的失效现象为起点,对失效机理、失效分析常见的测试分析方法、失效分析流程的设计做一些简单的介绍,并列举容量衰减、热失控和产气等方面相关分析案例进行说明。
 
锂聚合物电池失效表现及失效机理
 
1、容量衰减:锂聚合物电池的容量衰减主要分可逆容量衰减和不可逆容量衰减两类。可逆容量衰减可以通过调整电池充放电制度和改善电池使用环境等措施使损失的容量恢复;而不可逆容量衰减是电池内部发生不可逆的改变产生了不可恢复的容量损失。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,造成失效的原因主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。
 
2、内阻增大:锂聚合物电池的内阻与电池体系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导致,存在电化学极化和浓差极化两种。导致锂聚合物电池内阻增大的主要因素分为电池关键材料和电池使用环境。
 
3、内短路:短路的表现可分为:①铜/铝集流体之间的短路;②隔膜失效失去电子绝缘性或空隙变大使正、负极微接触,出现局部发热严重,再进一步充放电过程中,可能向四周扩散,形成热失控;③正极浆料中过渡金属杂质未去除干净,刺穿隔膜、或促使负极锂枝晶生成导致内短路;④锂枝晶导致内短路的发生。此外,在电池设计制造或电池组组装过程上,不合理的设计和局部压力过大也会导致内短路。
 
4、产气:锂聚合物电池产气主要分为正常产气与异常产气,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。化成阶段产气主要为由酯类单/双电子反应产生了H2、CO2、C2H2等。异常产气主要是只在电池循环过程中,过渡消耗电解液释放气体或正极材料释氧等现象,常出现在软包电池中,造成电池内部压力过大而变形、撑破封装铝膜、内部电芯接触问题等。
 
5、热失控:热失控是指锂聚合物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。表1列出了锂聚合物电池内部常见的热行为。为了防止锂聚合物电池在热失控造成严重的安全问题,常采用PTC、安全阀、导热膜等措施,同时在电池的设计、电池制造过程、电池管理系统、电池使用环境等方面都需要进行系统性的考虑。
 
6、析锂:析锂是一种比较常见的锂聚合物电池老化失效现象。表现形式主要是负极极片表面出现一层灰色、灰白色或者灰蓝色物质,这些物质是在负极表面析出的金属锂。图3是常见的析锂现象。图4从两方面分析了电池出现析锂现象的原因,并将析锂的产生与电芯制造工艺、电池使用环境(包括充放电制度和充放电环境)等因素结合分析。影响枝晶生长的主要因素为电流密度、温度和电量,通过加入电解液添加剂、人造SEI、高盐浓度电解液、结构化负极、优化电池构型设计等措施来抑制枝晶的生长。
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