鋰離子電池常見失效表現及失效機理分析

◆容量衰減失效

標準循環壽命測試時，循環次數達到500次時放電容量應不低于初始容量的90%。或者循環次數達到1000次時放電容量不應低于初始容量的80%，若在標準循環范圍內，容量出現急劇下降現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、電池使用環境等客觀因素有緊密聯系。從材料角度看，造成失效的原因重要有正極材料的結構失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質、集流體腐蝕、體系微量雜質等。

正極材料的結構失效：正極材料結構失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉變、材料無序化等。LiMn2O4在充放電過程中會因Jahn-Teller效應導致結構發生畸變，甚至會發生顆粒破碎，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生四方晶系-立方晶系相轉變，LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會導致Co進入Li層，造成層狀結構混亂化，制約其容量發揮。

負極材料失效：石墨電極的失效重要發生在石墨表面，石墨表面與電解液反應，生產固態電解質界面相(SEI)，假如過度生長會導致電池內部體系中鋰離子含量降低，結果就是導致容量衰減。硅類負極材料的失效重要在于其巨大的體積膨脹導致的循環性能問題。

電解液失效：LiPF6穩定性差，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生成HF，造成電池內部被腐蝕。氣密性不好引起電解液變質，電解液黏度和色度都發生變化，最終導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，生成導電性差的化合物，導致歐姆接觸增大或活性物質失效。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合力不夠導致活性物質剝離，不能為電池供應容量。

◆內阻增大

鋰離子電池內阻增大會伴隨有能量密度下降、電壓和功率下降、電池產熱等失效問題。導致鋰離子電池內阻增大的重要因素分為電池關鍵材料和電池使用環境。

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

電池使用環境：環境溫度過高/低、過充過放、高倍率充放、制造工藝和電池設計結構等。

◆內短路

內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生位移引起正、負集流體接觸引起的。

隔膜失效引起的短路：隔膜老化、隔膜塌縮、隔膜腐蝕等會導致隔膜失效，失效隔膜失去電子絕緣性或空隙變大使正、負極微接觸，然后出現局部發熱嚴重，繼續充放電會向四周擴散，導致熱失控。

雜質導致短路：正極漿料中過渡金屬雜質未除干凈會導致刺穿隔膜或促使負極鋰枝晶生成導致內短路。

鋰枝晶引起的短路：長循環過程中局部電荷不均勻的地方會出現鋰枝晶，枝晶透過隔膜導致內短路。

電池設計制造或電池組組裝過程上，設計不合理或局部壓力過大也會導致內短路。電池過沖和過放的誘導下也會出現內短路。