鋰電池失效分析檢測應用

鋰離子電池作為21世紀發展的理想能源，受到越來越多的關注。但鋰離子電池在生產、運輸、使用過程中會出現某些失效現象，而且單一電池失效之后會影響整個電池組的性能和可靠性，甚至會導致電池組停止工作或其他問題。

　　近年來國內外發生了多起與電池相關的起火爆炸事故：特斯拉電動汽車起火事故、Samsung Note7手機電池起火事故、武漢孚特電子廠房起火、天津SamsungSDI工廠起火等……

1、鋰電池失效分析含義：

     國家標準GB3187-82中定義:“失效(故障)—— 產品喪失規 定的功能。對可修復產品，通常也稱為故障。”鋰電池的失效是指由某些特定的本質原因導致電池性能衰減或使用性能異常。鋰電池的失效主要分為兩類:一類為性能失效, 另一類為性失效,如圖1所示。性能失效指的是鋰電池的性能達不到使用要求和相關指標,主要有容量衰減或跳水、循環壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等;失效指的是鋰電池由于使用不當或者濫用,出現的具有一定風險的失效,主要有熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路、膨脹形變等。

2、鋰電池失效成因

鋰電池失效現象分為顯性和隱性兩部分。顯性指的是直接可觀測的表現和特征,例如失效現場出現并可通過粗視分析觀察到的表面結構破碎和形變,包括起火燃燒、發熱、鼓脹(產氣)、變形、漏液、封裝材料破損及畸變、封裝材料毛刺、虛焊或漏焊、塑料材質熔化變形等。隱性指的是不能直接觀測而需要通過拆解、分析后得到的或者是模擬實驗中所展現的表現和特征,例如通過實驗室拆解檢測到的微觀失效等。鋰電池失效過程中常有的隱性失效現象有正負極內短路、析鋰、極片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、電解液干涸、電解液變性失效、負極溶解、過渡金屬析出(含析銅)、極片毛刺、卷繞(或疊片)異常、容量跳水、電壓異常、電阻過高、循環壽命異常、高/低溫性能異常等。失效現象的范圍常常會與失效模式的范圍有交集,失效現象更偏向對現象的直接描述, 屬于對失效過程的信息收集和描述;失效模式一般理解為失效的性質和類型,是對失效的歸類和劃分。鋰電池失效現象是電池失效表現的大集群,對其進行定義和分類是十分必要的。

失效是失效原因的表現,也是失效原因在一定時間內疊加失效現象的結果。失效分析的重要任務之一是對失效原因進行準確判定。常見的鋰電池失效原因有活性物質的結構變化、活性物質相變、活性顆粒出現裂紋或破碎、過渡金屬溶出、體積膨脹、固體電解質界面(SEI)過度生長、SEI分解、鋰枝晶生長、電解液分解 或失效、電解液不足、電解液添加劑的失配、集流體腐蝕或溶解、導電劑失效、黏結劑失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、極片出現偏析、材料團聚、電芯設計異常、電芯分容老化過程異常等。從鋰電池失效原因研究內容可將其分為外因和內因。其中外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素；而內因主要指的是失效的物理、化學變化本質, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效過程的熱力學、動力學變化.。鋰電池的失效歸根結底是材料的失效。

3、鋰電池失效機理及部分檢測方式：

電鏡在鋰電池檢測應用

1）正負極材料的形貌

       負極材料的孔隙大小和數量直接關系到鋰離子的存儲和釋放能力。

2）隔膜材料的形貌與成分檢測

隔膜中孔隙的大小和分布決定了鋰離子在正負極之間的遷移能力，通電前后隔膜材料成分的差異可以反映電解液對隔膜的影響。

3）鋰枝晶檢測

鋰枝晶的生長會導致鋰離子電池在循環過程中電極和電解液界面的不穩定，破壞生成的固體電解質界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長過程中會不斷消耗電解液并導致金屬鋰的不可逆沉積；鋰枝晶的形成甚至還會刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接，造成電池的熱失控引發燃燒爆炸。

光學顯微鏡在鋰電池檢測應用

1）3D激光共聚焦顯微鏡

2）數碼顯微鏡

3）光學顯微鏡

4）清潔度檢測

油脂、清洗劑殘留引起的電阻大，從而影響電性能；若存在金屬碎屑則可能導致電池內部短路。

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