锂电池失效分析检测应用

锂离子电池作为21世纪发展的理想能源，受到越来越多的关注。但锂离子电池在生产、运输、使用过程中会出现某些失效现象，而且单一电池失效之后会影响整个电池组的性能和可靠性，甚至会导致电池组停止工作或其他问题。

　　近年来国内外发生了多起与电池相关的起火爆炸事故：特斯拉电动汽车起火事故、Samsung Note7手机电池起火事故、武汉孚特电子厂房起火、天津SamsungSDI工厂起火等……

1、锂电池失效分析含义：

     国家标准GB3187-82中定义:“失效(故障)—— 产品丧失规 定的功能。对可修复产品，通常也称为故障。”锂电池的失效是指由某些特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常。锂电池的失效主要分为两类:一类为性能失效, 另一类为性失效,如图1所示。性能失效指的是锂电池的性能达不到使用要求和相关指标,主要有容量衰减或跳水、循环寿命短、倍率性能差、一致性差、易自放电、高低温性能衰减等;失效指的是锂电池由于使用不当或者滥用,出现的具有一定风险的失效,主要有热失控、胀气、漏液、析锂、短路、膨胀形变等。

2、锂电池失效成因

锂电池失效现象分为显性和隐性两部分。显性指的是直接可观测的表现和特征,例如失效现场出现并可通过粗视分析观察到的表面结构破碎和形变,包括起火燃烧、发热、鼓胀(产气)、变形、漏液、封装材料破损及畸变、封装材料毛刺、虚焊或漏焊、塑料材质熔化变形等。隐性指的是不能直接观测而需要通过拆解、分析后得到的或者是模拟实验中所展现的表现和特征,例如通过实验室拆解检测到的微观失效等。锂电池失效过程中常有的隐性失效现象有正负极内短路、析锂、极片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、电解液干涸、电解液变性失效、负极溶解、过渡金属析出(含析铜)、极片毛刺、卷绕(或叠片)异常、容量跳水、电压异常、电阻过高、循环寿命异常、高/低温性能异常等。失效现象的范围常常会与失效模式的范围有交集,失效现象更偏向对现象的直接描述, 属于对失效过程的信息收集和描述;失效模式一般理解为失效的性质和类型,是对失效的归类和划分。锂电池失效现象是电池失效表现的大集群,对其进行定义和分类是十分必要的。

失效是失效原因的表现,也是失效原因在一定时间内叠加失效现象的结果。失效分析的重要任务之一是对失效原因进行准确判定。常见的锂电池失效原因有活性物质的结构变化、活性物质相变、活性颗粒出现裂纹或破碎、过渡金属溶出、体积膨胀、固体电解质界面(SEI)过度生长、SEI分解、锂枝晶生长、电解液分解 或失效、电解液不足、电解液添加剂的失配、集流体腐蚀或溶解、导电剂失效、黏结剂失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、极片出现偏析、材料团聚、电芯设计异常、电芯分容老化过程异常等。从锂电池失效原因研究内容可将其分为外因和内因。其中外因包括撞击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素；而内因主要指的是失效的物理、化学变化本质, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效过程的热力学、动力学变化.。锂电池的失效归根结底是材料的失效。

3、锂电池失效机理及部分检测方式：

电镜在锂电池检测应用

1）正负极材料的形貌

       负极材料的孔隙大小和数量直接关系到锂离子的存储和释放能力。

2）隔膜材料的形貌与成分检测

隔膜中孔隙的大小和分布决定了锂离子在正负极之间的迁移能力，通电前后隔膜材料成分的差异可以反映电解液对隔膜的影响。

3）锂枝晶检测

锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面（SEI）膜，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积；锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。

光学显微镜在锂电池检测应用

1）3D激光共聚焦显微镜

2）数码显微镜

3）光学显微镜

4）清洁度检测

油脂、清洗剂残留引起的电阻大，从而影响电性能；若存在金属碎屑则可能导致电池内部短路。

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