近年來新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,安全問題作為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的根基也越來越受到行業(yè)的關(guān)注。隨著新能源汽車的爆發(fā)式增長,我國新能源汽車保有量已超過200萬輛,安全問題變得更加敏感,若不能有效控制安全事故的發(fā)生,新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也必然受到影響。

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市場監(jiān)督管理總局的消息顯示,2018年以來我國已發(fā)生新能源汽車起火事件40余起。而大部分新能源汽車安全事故,都是由于動力電池出現(xiàn)了問題。在行業(yè)內(nèi),動力電池發(fā)生故障有一種專業(yè)說法,叫電池失效。今天電車資源就用一文帶大家一起了解一下什么是鋰離子電池失效。

鋰離子電池失效,指由某些特定的本質(zhì)原因引起的電池性能衰減或使用性能異常,它可能發(fā)生在生產(chǎn)、運輸、使用中的任何一個環(huán)節(jié),不僅會影響電池的性能,甚至?xí)l(fā)起火、爆炸等安全問題。鋰電池失效根據(jù)影響類型的不同,可以分為性能失效和安全性失效。其出現(xiàn)的主要原因也分為兩種,分別是內(nèi)因和外因:內(nèi)因包括物理失效、化學(xué)變化等,外因包括高溫、撞擊、針刺、人為損壞等。接下來電車資源將為大家詳細介紹數(shù)種常見的鋰電池失效,包括容量衰減失效、內(nèi)短路、內(nèi)阻增大、熱失控等。

容量衰減失效

一般在進行標準循環(huán)壽命測試時,在循環(huán)次數(shù)達到500次后,電池容量不應(yīng)低于初始值的90%,達到1000次后,不應(yīng)低于初始值的80%,如容量不符合該標準出現(xiàn)衰減過度的現(xiàn)象,則屬于容量衰減失效。鋰離子電池的容量衰減失效分為可逆容量衰減和不可逆容量衰減。其中可逆衰減能夠通過調(diào)整電池的充放電制度及改善電池的使用環(huán)境等方法恢復(fù)損失的容量,不可逆衰減因為是電池內(nèi)部發(fā)生了不可逆的變化產(chǎn)生了無法恢復(fù)的容量損失,因此無法挽救。

電池容量衰減的主要原因在于材料失效,也和電池的制造工藝、使用環(huán)境等客觀因素有不可分割的聯(lián)系。從材料角度來說,造成容量衰減失效的成因有正極材料失效、負極表面SEI過渡生產(chǎn)、電解液失效、集流體失效等等。

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。在電池內(nèi)部發(fā)生短路期間,兩種電極材料以電子方式在內(nèi)部互連,導(dǎo)致局部高電流密度。鋰離子電池中發(fā)生內(nèi)部短路可能是鋰枝晶的形成或壓縮沖擊等情況引起的。長時間的內(nèi)部短路會導(dǎo)致自放電及局部溫度上升,局部溫度上升產(chǎn)生的影響非常顯著,因為如果溫度超出某一閾值,電解質(zhì)可能通過放熱反應(yīng)開始分解,從而引起熱失控,具有潛在的健康和安全隱患。

內(nèi)阻增大

鋰離子電池內(nèi)阻與電池內(nèi)部電子傳輸和離子傳輸過程有關(guān),主要分為歐姆電阻和極化內(nèi)阻,極化內(nèi)阻主要由電化學(xué)極化引發(fā),又分為電化學(xué)極化和濃差極化。當(dāng)電池內(nèi)阻增大時,伴隨而生的還有能量密度下降、電壓功率下降、電池產(chǎn)熱等失效問題。影響其產(chǎn)生的主要因素有電池關(guān)鍵材料與電池使用環(huán)境,但關(guān)鍵材料產(chǎn)生異常是內(nèi)阻增大的根本影響因素。

熱失控

“熱失控”是一個能量正反饋循環(huán)過程:升高的溫度會導(dǎo)致系統(tǒng)變熱,系統(tǒng)變熱升高溫度,這又反過來又讓系統(tǒng)變得更熱。鋰電池?zé)崾Э貏t是指電池內(nèi)部局部或整體的溫度急速上升熱量不能及時散去,大量積聚在內(nèi)部,并誘發(fā)進一步的副反應(yīng)。參與“熱失控”反應(yīng)的是鋰電池中的氧化鈷化學(xué)物。加熱這種化學(xué)物達到一定溫度,它就開始自發(fā)熱,然后發(fā)展成起火和爆炸。在某些情況下,這種有機電解液釋放壓力會導(dǎo)致電池破裂。如果暴露在高溫環(huán)境下,或者是遇到火花,它也有可能會燃燒。為了防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生,一般會采用PTC、安全閥、導(dǎo)熱膜等措施,但更重要的是完善電池在設(shè)計、制造的技術(shù),及使用的方法。

產(chǎn)氣

鋰離子電池產(chǎn)氣有兩種,分別是正常產(chǎn)氣和異常產(chǎn)氣,在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩(wěn)定SEI膜所發(fā)生的產(chǎn)氣現(xiàn)象為正常產(chǎn)氣,過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象屬于異常產(chǎn)氣。在鋰電池組裝完成后,預(yù)化成過程中會產(chǎn)生少量氣體,這些氣體是不可避免的,也是所謂的電芯不可逆容量損失來源。在首次充放電過程中,電子由外電路到達負極后會與負極表面的電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氣體。

析鋰

鋰離子電池在充電過程中,鋰離子會從正極脫嵌并嵌入負極,但當(dāng)發(fā)生異常情況造成從正極脫嵌的鋰離子無法嵌入負極的話,鋰離子就只能析出在負極表面,形成一層灰色的物質(zhì),這就是析鋰。析鋰的原因有很多種,包括負極余量不夠、正負極涂面不均勻、低溫環(huán)境充電、大倍率充電等等。目前主要是通過加入電解液添加劑、人造SEI、高鹽度電解液、結(jié)構(gòu)化負極、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)來抑制析鋰失效的產(chǎn)生。