紐扣式鋰離子電池故障研究

【摘要】本文簡要介紹了鋰離子電池的基本故障模型及鋰離子電池的速率容量效應(yīng)。討論了紐扣式鋰離子電池的內(nèi)部自放電機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池;額定容量的影響;自放電;隔膜穿刺;點(diǎn)焊鋰離子電池的失效形式重要有:容量衰減、泄放或泄漏、集液腐蝕、熱失控等。其中容量衰減是最常見的失效模式，其原因有很多:在電極中，反復(fù)充放電降低了電極的活性表面積，新增了電流密度，新增了極化;在電解質(zhì)溶液中，電解質(zhì)或?qū)щ婝}的分解導(dǎo)致其電導(dǎo)率下降，分解導(dǎo)致界面鈍化。此外，隔膜被阻塞或損壞，電池內(nèi)部短路也會縮短電池壽命。

1.鋰離子電池故障模型

目前的研究認(rèn)為，溫度和工作電流是加速鋰離子電池容量衰減的兩個重要應(yīng)力。在相同溫度條件下，鋰離子電池壽命與放電電流的關(guān)系基本遵循以電應(yīng)力為加速度變量的加速度模型:

式(1)是鋰離子電池的基本失效模型。在對數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)中，鋰離子電池的故障和放電電流也是線性的。

2.鋰離子電池的速率容量效應(yīng)

鋰離子電池具有速率容量效應(yīng)，即電池的實(shí)際容量會隨著負(fù)載的變化而變化。負(fù)載越大，電池的容量就越小。其原理是電池的壽命在很大程度上取決于負(fù)極上反應(yīng)區(qū)的狀態(tài)。在小電流穩(wěn)定放電的條件下，反應(yīng)區(qū)均勻分布在負(fù)極上，可以充分發(fā)揮用途。然而,當(dāng)電池大電流放電在某些時候,負(fù)電極表面的反應(yīng)區(qū)域inuniformly所覆蓋,導(dǎo)致一些活躍的斑點(diǎn)內(nèi)層的不能參與反應(yīng),這將導(dǎo)致電池在高放電率很快失去權(quán)力。

3.鋰離子電池自放電

鋰離子電池的自放電也會導(dǎo)致電池容量的不可逆損耗，這可能是由于電池內(nèi)部的一系列不可逆反應(yīng)造成的。

陽極與電解液之間的不可逆反應(yīng)(相對來說，重要發(fā)生在錳酸鋰和鎳酸鋰這兩種容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷的材料中，如電解液中的鋰離子與錳酸鋰陽極之間的反應(yīng))。陰極材料與電解液的不可逆反應(yīng)(形成的SEI是為了保護(hù)陽極免受電解液的腐蝕)。不可逆反應(yīng)是由電解質(zhì)本身的雜質(zhì)和O2在溶劑中的反應(yīng)引起的。類似的反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)地消耗鋰離子的電解質(zhì)，從而失去電池容量。其中，電解質(zhì)中雜質(zhì)的不可逆反應(yīng)尤為常見。

此外，在電池的制造過程中，雜質(zhì)引起的微短路也會引起不可逆反應(yīng)，這是單個電池自放電量大的最重要原因。空氣中的粉塵或金屬粉末在電極、隔膜的生產(chǎn)過程中會引起電池中的小短路。由于完全無塵生產(chǎn)是不可能的，這種可能性是不可防止的。當(dāng)灰塵不足以穿透隔膜并與正極和負(fù)極發(fā)生短路接觸時，對電池的影響不大;但當(dāng)粉塵嚴(yán)重到足以穿透隔膜時，對電池的影響是明顯的。由于刺穿隔膜的學(xué)位的存在,當(dāng)測試大量的電池的自放電率,通常發(fā)現(xiàn)大多數(shù)電池的自放電率集中在一個小范圍內(nèi),而只有少量的電池的自放電率顯著提高,小心翼翼地分布。這些是隔膜被刺穿的電池。