鋰離子電池常見失效表現(xiàn)及失效機理分析

◆容量衰減失效

標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測試時，循環(huán)次數(shù)達到500次時放電容量應(yīng)不低于初始容量的90%。或者循環(huán)次數(shù)達到1000次時放電容量不應(yīng)低于初始容量的80%，若在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)范圍內(nèi)，容量出現(xiàn)急劇下降現(xiàn)象均屬于容量衰減失效。

電池容量衰減失效的根源在于材料的失效，同時與電池制造工藝、電池使用環(huán)境等客觀因素有緊密聯(lián)系。從材料角度看，造成失效的原因重要有正極材料的結(jié)構(gòu)失效、負(fù)極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。

正極材料的結(jié)構(gòu)失效：正極材料結(jié)構(gòu)失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉(zhuǎn)變、材料無序化等。LiMn2O4在充放電過程中會因Jahn-Teller效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，甚至?xí)l(fā)生顆粒破碎，造成顆粒之間的電接觸失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放電過程中會發(fā)生四方晶系-立方晶系相轉(zhuǎn)變，LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會導(dǎo)致Co進入Li層，造成層狀結(jié)構(gòu)混亂化，制約其容量發(fā)揮。

負(fù)極材料失效：石墨電極的失效重要發(fā)生在石墨表面，石墨表面與電解液反應(yīng)，生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)界面相(SEI)，假如過度生長會導(dǎo)致電池內(nèi)部體系中鋰離子含量降低，結(jié)果就是導(dǎo)致容量衰減。硅類負(fù)極材料的失效重要在于其巨大的體積膨脹導(dǎo)致的循環(huán)性能問題。

電解液失效：LiPF6穩(wěn)定性差，容易分解使電解液中可遷移Li+含量降低。它還容易和電解液中的痕量水反應(yīng)生成HF，造成電池內(nèi)部被腐蝕。氣密性不好引起電解液變質(zhì)，電解液黏度和色度都發(fā)生變化，最終導(dǎo)致傳輸離子性能急劇下降。

集流體的失效：集流體腐蝕、集流體附著力下降。上述電解液失效生成的HF會對集流體造成腐蝕，生成導(dǎo)電性差的化合物，導(dǎo)致歐姆接觸增大或活性物質(zhì)失效。充放電過程中Cu箔在低電位下被溶解后，沉積在正極表面，這就是所謂的析銅。集流體失效常見的形式是集流體與活性物之間的結(jié)合力不夠?qū)е禄钚晕镔|(zhì)剝離，不能為電池供應(yīng)容量。

◆內(nèi)阻增大

鋰離子電池內(nèi)阻增大會伴隨有能量密度下降、電壓和功率下降、電池產(chǎn)熱等失效問題。導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)阻增大的重要因素分為電池關(guān)鍵材料和電池使用環(huán)境。

電池關(guān)鍵材料：正極材料的微裂紋與破碎、負(fù)極材料的破壞與表面SEI過厚、電解液老化、活性物質(zhì)與集流體脫離、活性物質(zhì)與導(dǎo)電添加劑的接觸變差(包括導(dǎo)電添加劑的流失)、隔膜縮孔堵塞、電池極耳焊接異常等。

電池使用環(huán)境：環(huán)境溫度過高/低、過充過放、高倍率充放、制造工藝和電池設(shè)計結(jié)構(gòu)等。

◆內(nèi)短路

內(nèi)短路往往會引起鋰離子電池的自放電，容量衰減，局部熱失控以及引起安全事故。

銅/鋁集流體之間的短路：電池生產(chǎn)或使用過程中未修剪的金屬異物穿刺隔膜或電極、電池封裝中極片或極耳發(fā)生位移引起正、負(fù)集流體接觸引起的。

隔膜失效引起的短路：隔膜老化、隔膜塌縮、隔膜腐蝕等會導(dǎo)致隔膜失效，失效隔膜失去電子絕緣性或空隙變大使正、負(fù)極微接觸，然后出現(xiàn)局部發(fā)熱嚴(yán)重，繼續(xù)充放電會向四周擴散，導(dǎo)致熱失控。

雜質(zhì)導(dǎo)致短路：正極漿料中過渡金屬雜質(zhì)未除干凈會導(dǎo)致刺穿隔膜或促使負(fù)極鋰枝晶生成導(dǎo)致內(nèi)短路。

鋰枝晶引起的短路：長循環(huán)過程中局部電荷不均勻的地方會出現(xiàn)鋰枝晶，枝晶透過隔膜導(dǎo)致內(nèi)短路。

電池設(shè)計制造或電池組組裝過程上，設(shè)計不合理或局部壓力過大也會導(dǎo)致內(nèi)短路。電池過沖和過放的誘導(dǎo)下也會出現(xiàn)內(nèi)短路。