Was sind die Fehlerklassifizierungen von Lithiumbatterien und das sind die Fehlerursachen?

Im Kontext der Energiekrise und der Umweltverschmutzung haben Lithium-Ionen-Batterien als ideale Energiequelle für die Entwicklung des 21. Jahrhunderts immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Lithium-Ionen-Batterien können jedoch während der Herstellung, des Transports und der Verwendung einige Fehler aufweisen. Darüber hinaus kann der Ausfall einer einzelnen Batterie die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Akkus beeinträchtigen und sogar dazu führen, dass der Akku nicht mehr funktioniert oder andere Sicherheitsprobleme auftreten.

In den letzten Jahren gab es im In- und Ausland viele batteriebedingte Feuer- und Explosionsunfälle: den Feuerunfall mit Elektroautos Tesla ModelS in den USA, den Feuerunfall mit SamsungNote7-Handys, den elektronischen Fabrikbrand Wuhan Fute und den Fabrikbrand Tianjin Samsung SDI , etc.

1 Klassifizierung des Lithiumbatteriefehlers

Um die oben erwähnten Leistungseinbußen und Batteriesicherheitsprobleme zu vermeiden, ist es unbedingt erforderlich, eine Fehleranalyse der Lithiumbatterie durchzuführen. Der Ausfall einer Lithiumbatterie bezieht sich auf die Leistungsverschlechterung und den Sicherheitsausfall, die durch bestimmte wesentliche Ursachen für eine Verschlechterung der Batterieleistung oder Leistungsstörungen verursacht werden.

2 Ausfall der Lithiumbatterie

Die Gründe für den Ausfall von Lithiumbatterien können in interne und externe Ursachen unterteilt werden.

Interne Faktoren beziehen sich hauptsächlich auf die physikalischen und chemischen Veränderungen des Versagens. Die Forschungsskala kann auf die atomare und molekulare Skala zurückgeführt werden, und die Thermodynamik und Dynamik des Versagensprozesses werden untersucht.

Zu den externen Faktoren zählen externe Faktoren wie Aufprall, Akupunktur, Korrosion, Hochtemperaturverbrennung und Vandalismus.

3 Analyse der allgemeinen Fehlerleistung und des Fehlermechanismus der Lithiumbatterie

Kapazitätsdämpfungsfehler

"Bei der Standard-Lebensdauerprüfung darf die Entladekapazität nicht weniger als 90% der Anfangskapazität betragen, wenn die Anzahl der Zyklen 500 erreicht. Oder die Entladekapazität darf nicht weniger als 80% der Anfangskapazität betragen, wenn die Anzahl der Zyklen erreicht ist erreicht 1000 ", wenn im Standardzyklusbereich der starke Kapazitätsabfall ein Ausfall der Kapazitätsdämpfung ist.

Die Hauptursache für die Dämpfung der Batteriekapazität ist das Versagen von Materialien und hängt eng mit objektiven Faktoren wie dem Herstellungsprozess der Batterie und der Umgebung für die Verwendung der Batterie zusammen. Aus materieller Sicht sind die Hauptursachen für das Versagen das strukturelle Versagen des positiven Elektrodenmaterials, das SEI-Übergangswachstum der negativen Elektrodenoberfläche, die Zersetzung und Verschlechterung des Elektrolyten, die Korrosion des Stromkollektors und Spurenverunreinigungen im System.

Strukturversagen des positiven Elektrodenmaterials: Das Versagen der positiven Elektrodenmaterialstruktur umfasst einen Partikelbruch des positiven Elektrodenmaterials, einen irreversiblen Phasenübergang, eine Störung des Materials und dergleichen. LiMn2O4 wird aufgrund des Jahn-Teller-Effekts beim Laden und Entladen verzerrt, und es tritt sogar ein Partikelbruch auf, der zu einem elektrischen Kontaktfehler zwischen den Partikeln führt. LiMn1.5Ni0.5O4-Material durchläuft während des Ladens und Entladens einen Phasenübergang "tetragonal-kubisches System". LiCoO2-Material führt aufgrund des Übergangs von Li während des Ladens und Entladens zu Co in die Li-Schicht, was zu einer chaotischen Schichtstruktur führt und dessen Spielfähigkeit einschränkt.

Anodenmaterialversagen: Das Versagen der Graphitelektrode tritt hauptsächlich auf der Graphitoberfläche auf, und die Graphitoberfläche reagiert mit dem Elektrolyten unter Bildung einer Festelektrolyt-Grenzflächenphase (SEI). Wenn übermäßiges Wachstum zu einer Verringerung des Lithiumionengehalts im internen System der Batterie führt, führt dies zu einem Kapazitätsabfall. Das Versagen von Anodenmaterialien auf Siliziumbasis ist hauptsächlich auf die zyklischen Leistungsprobleme zurückzuführen, die durch die enorme Volumenexpansion verursacht werden.

Elektrolytversagen: LiPF6 weist eine schlechte Stabilität auf und wird leicht zersetzt, um den transportablen Li + -Gehalt im Elektrolyten zu verringern. Es reagiert auch leicht mit Wasserspuren im Elektrolyten unter Bildung von HF, was zu Korrosion im Inneren der Batterie führt. Eine schlechte Luftdichtheit führt zu einer Verschlechterung des Elektrolyten, und die Viskosität und Chromatizität des Elektrolyten ändern sich, was schließlich zu einem starken Abfall der Transportionenleistung führt.

Der Ausfall des Stromkollektors: Die Kollektorkorrosion und die Stromkollektorhaftung nehmen ab. Die durch den obigen Elektrolytausfall erzeugte HF verursacht eine Korrosion des Stromkollektors, was zu einer schlecht leitenden Verbindung führt, was zu einer Zunahme des ohmschen Kontakts oder einem Ausfall des aktiven Materials führt. Während des Lade- und Entladevorgangs wird die Cu-Folie auf einem niedrigen Potential gelöst und auf der Oberfläche der positiven Elektrode abgeschieden. Dies wird als "Kupferniederschlag" bezeichnet. Eine häufige Form des Versagens der Flüssigkeitssammlung besteht darin, dass die Bindungskraft zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material nicht ausreicht, um ein Ablösen des aktiven Materials zu bewirken, und keine Kapazität für die Batterie bereitstellen kann.

Erhöhter Innenwiderstand

Die Zunahme des Innenwiderstands einer Lithiumbatterie geht mit Fehlern einher, wie einer Abnahme der Energiedichte, einem Abfall von Spannung und Leistung und der Wärmeerzeugung der Batterie. Die Hauptfaktoren, die zur Erhöhung des Innenwiderstands von Lithium-Ionen-Batterien führen, sind die Schlüsselmaterialien der Batterie und die Umgebung, in der die Batterie verwendet wird.

Schlüsselmaterialien der Batterie: Mikrorisse und Bruch des positiven Elektrodenmaterials, Beschädigung des negativen Elektrodenmaterials und übermäßiger Oberflächen-SEI, Alterung des Elektrolyten, Ablösung des aktiven Materials vom Stromkollektor, Verschlechterung des Kontakts zwischen dem aktiven Material und dem leitfähiges Additiv (einschließlich Verlust von leitfähigen Additiven), Das Schrumpfloch der Membran ist blockiert, die Batterielasche ist abnormal verschweißt und dergleichen.

Umgebung für die Verwendung von Batterien: Die Umgebungstemperatur ist zu hoch / niedrig, Überladung und Überentladung, Laden und Entladen mit hoher Rate, Herstellungsprozess und Struktur des Batteriedesigns.

Interner Kurzschluss

Interner Kurzschluss führt häufig zur Selbstentladung des lithium-ionen-akkus, zur Kapazitätsdämpfung, zum lokalen thermischen Durchgehen und zu Sicherheitsunfällen.

Kurzschluss zwischen Kupfer / Aluminium-Stromkollektoren: Durchstichmembranen oder Elektroden von Metall-Fremdkörpern, die während der Herstellung oder Verwendung der Batterie nicht zugeschnitten werden, und die Verschiebung von Polstücken oder Laschen im Batteriepaket verursachen den Kontakt zwischen positiven und negativen Stromkollektoren.

Kurzschluss durch Membranversagen: Membranalterung, Membrankollaps, Membrankorrosion usw. führen zum Membranversagen, das Versagen der Membran verliert die elektrische Isolation oder der Spalt wird groß, wodurch sich die positiven und negativen Pole berühren und dann die Die lokale Hitze ist stark und das Laden und Entladen wird sich weiter ausbreiten. Dadurch gerät die Hitze außer Kontrolle.

Verunreinigungen verursachen einen Kurzschluss: Die Übergangsmetallverunreinigungen in der positiven Elektrodenaufschlämmung werden nicht gereinigt, was zum Durchstechen des Separators oder zur Dendritenbildung der negativen Elektrode führen kann, was zu einem internen Kurzschluss führt.

Kurzschluss durch Lithiumdendriten: Lithiumdendriten treten an Stellen auf, an denen die lokalen Ladungen während langer Zyklen nicht gleichmäßig sind, und Dendriten passieren die Membran, um interne Kurzschlüsse zu verursachen.

Unangemessenes Design oder übermäßiger Partialdruck können interne Kurzschlüsse bei der Konstruktion und Herstellung der Batterie oder bei der Montage der Batterie verursachen. Ein interner Kurzschluss kann auch bei Induktion von Batterieüberschwingen und Überentladung auftreten.

Gasproduktion

Das Gasproduktionsphänomen, das auftritt, wenn der Elektrolyt während des Batteriebildungsprozesses gebildet wird, um einen stabilen SEI-Film zu bilden, ist eine normale Gasproduktion, aber das Phänomen des vorübergehenden Verbrauchs von Elektrolytfreisetzungsgas oder der Freisetzung von Sauerstoff aus dem positiven Elektrodenmaterial ist eine abnormale Deflation. Dies tritt häufig in Soft-Package-Batterien auf und kann dazu führen, dass sich der übermäßige Innendruck der Batterie verformt, der Aluminiumfilm der Packung bricht und die interne Batterie berührt.

Die Spurenfeuchtigkeit im Elektrolyten oder im aktiven Elektrodenmaterial wird nicht getrocknet, was zur Zersetzung des Lithiumsalzes im Elektrolyten unter Bildung von HF führt, den Stromkollektor Al korrodiert und das Bindemittel zerstört, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Im Elektrolytbereich können die Ketten- / cyclischen Ester oder Ether im Elektrolyten elektrochemisch zersetzt werden und C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2 usw. können erzeugt werden.

Thermisches Durchgehen

Thermisches Durchgehen bedeutet, dass die Temperatur des lokalen oder gesamten Inneren der Lithium-Ionen-Batterie schnell ansteigt, die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, sich eine große Menge im Inneren ansammelt und weitere Nebenreaktionen induziert werden. Die Faktoren, die ein thermisches Durchgehen von Lithiumbatterien induzieren, sind abnormale Betriebsbedingungen, nämlich Missbrauch, Kurzschluss, hohes Überschwingen, hohe Temperatur, Extrusion und Akupunktur.

Allgemeines thermisches Verhalten innerhalb der Batterie

Lithium

Lithiumabscheidung ist die Ausfällung von metallischem Lithium auf der negativen Elektrodenoberfläche der Batterie, was ein häufiges Alterungsfehlerphänomen von Lithiumbatterien ist. Die Lithiumabscheidung verringert die Menge an aktiven Lithiumionen in der Batterie, verursacht einen Kapazitätsausfall und bildet Dendriten, die die Membran durchdringen, was zu lokalem Strom und übermäßiger Wärmeerzeugung führt, was schließlich zu Problemen bei der Batteriesicherheit führt.

Chinas Fehleranalyse wurde systematisch in den Bereichen Mechanik und Luft- und Raumfahrt entwickelt und im Bereich der Lithiumbatterien nicht systematisch untersucht. Batterieunternehmen und Materialunternehmen haben Untersuchungen zur Fehleranalyse von Lithium-Ionen-Batterien durchgeführt. Die meisten konzentrieren sich jedoch auf Batterieherstellungsprozesse sowie Materialforschung und -entwicklung, um die Batterieleistung zu verbessern und die Batteriekosten als direktes Ziel zu senken. Zukünftige Forschungsinstitute und verwandte Unternehmen können die Zusammenarbeit und den Austausch stärken und sich bemühen, den Fehlerbaum und den Fehleranalyseprozess für den Ausfall von Lithium-Ionen-Batterien zu etablieren und zu verbessern.

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