超全面锂电池失效分析

0引言针对锂电池产生失效情况，大体上以性能失效、安全性能失效这两类为主。性能失效，即锂电池自身性能与使用要求、各项指标不符，如存在着容量跳水或衰减、高低温特性衰减、自放电大、较差倍率性、较短循环寿命等失效表现；针对安全性能失效层面，即因滥用锂电池或是使用不当，致使安全风险产生，失效表现包含着热失控、膨胀形变、短路、析锂、漏液、胀气等。可以说，锂电池总体失效分析属于极具复杂性的一个过程，所需掌握理论及实践技能相对多。为更好地开展失效分析相关工作，对锂电池开展超全面的失效分析较为必要。1锂电池的主要失效成因与分析难点1.1失效成因失效分析，主要是伴随着失效问题现象所产生的，用于判定及预防失效问题的发生。失效分析，属于判断分析产品失效情况的重要模式或手段，更是通过对失效成因实施分析，对失效问题现象进行有效预测及预防的一种技术手段或管理活动。针对锂电池实施失效分析，可以对失效问题现象发生实现有效预测和预防，为企业实现更多经济及社会效益的获取提供基础保证。失效现象，通常以显性及隐性为主。显性，即能够直接观测到基本特征及其表现，如失效问题产生现场，经目视分析能够观察到锂电池整个表面结构存在着形变及破碎问题，具体表现包含着发热、起火燃烧、漏液、变形、鼓胀、塑料材质高温熔化变形、漏焊及虚焊、封装材料表面毛刺、封装材料畸变或破损等；所谓隐性的失效现象，即无法直接观测得到，需经拆解分析之后，或是经相应模拟实验当中所展示特征及其表现，如实验室内径拆解检测后获取微观失效情况、模拟电池当中的电学信息。锂电池整个失效过程当中，隐性的失效现象常见析锂、正负极内部短路、过高电阻、异常电压、容量跳水、叠片或卷绕异常、高低温特性循环使用寿命异常、极片毛刺、析出过渡金属、负极溶解、电解液的干涸及变形失效、隔膜刺穿及阻塞、隔膜老化、极片掉粉等。针对失效问题现象范围，一般和失效模式整个范围存在交集，这种失效问题现象比较侧重于直接描述现象，是失效过程当中信息采集及描述。而失效模式，通常可理解成是失效类型及其性质，属于对失效的一种划分及归类。锂电池所产生失效现象，属于电池产生失效问题表现的一种大集群。失效，属于失效原因一种最终表现，更属于失效原因处于特定时间范围叠加的失效现象最终结果。开展失效分析相关工作当中，精准判断失效原因属于重要任务。锂电池产生失效现象常见原因，包含着活性颗粒产生裂纹或是破碎情况、活性物质出现相变情况、活性物质总体结构产生变化、电芯分容异常老化、电芯设计缺陷、材料团聚、极片偏析、隔膜孔隙严重阻塞、隔膜严重老化失效、黏结剂及导电剂出现失效情况、集流体溶解或腐蚀、电解液严重不足或其添加剂失配、电解液出现分解或是失效情况、锂枝晶快速生长、SEI分解、固体的电解质整个界面生长过度、体积膨胀、溶出过渡金属等。在外因层面，通常以人为破坏、高温燃烧、腐蚀、针刺、撞击等因素为主；在内因层面，则是以化学及物理变化本质失效等。锂电池产生失效现象，大部分均是材料失效。而材料失效，即材料性质、结构及形貌异常，或材料相互间失配[1]。如正极材料具备Li+的脱嵌速率存在差异性，以至于材料总体受力不均，导致材料局部颗粒破碎情况出现。硅负极材料，充放电整个过程当中体积产生碰撞收缩情况，致使材料局部产生破碎粉化情况，电解液受周边温湿度影响，致使变质或分解情况出现；石墨负极和电解液当中所添加碳酸丙烯酯产生溶剂的共嵌入层面问题，正负极的容量比值较小，致使析锂情况出现。1.2失效分析主要难点锂电池产生失效现象原有和失效之间往往并非属于一对一的简单模式，且还包含着多对一、一对多、多对多等各种多维关系。可以说，锂电池产生失效现象的主要原因，其于失效相互间呈现负责性的一种构效关系。若想以单一性的失效原因，对失效问题具体成因实施描述剖析则往往无法属于不正确的一种手段，需要以定量角度，对各种失效原因处于某个特定阶段影响权重及主次关系深入剖析，才能够精准评估失效的锂电池，提出更具针对性及科学合理的防范或改进对策。锂电池自身从属现代控制理论当中灰色系统，往往很难清楚地分析、了解其内部化学及物理变化基本机制、动力学和热力学整个变化过程等。锂电池当中，通常以隔膜、正负极材料、极耳、集流体、黏结剂、导电剂、溶剂、电解质等为主。锂电池的生产制造流程，则以前、中及末三段为主，所包含工序有打浆及涂布作业、烘干及辊压作业、分条及配片作业、卷绕或是模切作业、入壳、焊接极耳、注液、焊接封口、化成分容作业等。锂电池常见负极材料，以天然和人造石墨、硬碳、软碳、复合金属锂、金属锂、SiOx-C负极及硅负极、中间相的碳微球MCMB等为主。结合不同使用条件及环境要求，选定正负极相应体系，并匹配最适宜电解液和辅料，选定最适宜制备流程，生产制造出最能够满足于实际使用需求不同形式的锂电池产品[2]。各项性能和总体质量检测达标的锂电池产品，投放营业至各行业领域当中，如航天航空、船舶、电动汽车等众多行业领域。从材料生产制备至产品最终使用整个过程当中，往往潜藏着较多复杂性及可变性的因素。故对锂电池开展失效分析实践工作当中，不可局限至对锂电池内部重要材料失效层面，还应当综合考虑到材料结构、性能设计、合成加工、制造流程及其服役情况、不同的失效表现。除以上这些失效分析实施难点外，技术层面还潜藏着一定难点，如对锂电池内部材料开展失效分析过程当中，需用到样品的收集及筛选、转移、合理精准地表征分析等各项技术手段。样品收集及筛选前期，有效且合理地拆解规格不同的电芯往往较为关键，这是需广大技术员予以高度重视及严格把控的内容。锂电池内部产气、电解液等收集操作层面上有着一定难度，特别是收集产气期间，易引入一些杂质气体，余下电解液量倘若过少，则不易收集，增加测试难度。大部分锂电池内部材料均对应空气环境极具敏感度，特别是对于空气当中水分及氧气十分的敏感，故对样品转移操作技术层面要求相对较高。目前，我国科研工作者们已经研发设计出了全自动式锂电池的拆解仪器，还结合型号不同的锂电池研发设计出了气体收集专用设备，便于解决这一难题，为更好地开展锂电池总体失效分析实践工作提供设备保障。2测试方法及防范对策2.1测试分析方法对锂电池开展失效分析，现阶段以两个方向为主，即以锂电池产生失效现象诊断分析为基础，追溯至锂电池所用材料基本失效机制，便于进一步了解其失效原因；还有一个方向则是以累积的失效原因信息数据库为基础，积极探索失效机制，了解失效产生整个过程当中相关影响因素，便于达到良好的预防目的。针对锂电池开展失效问题诊断分析，需先与锂电池基本失效表现相结合，对锂电池实施外观检测、有损及无损检测、综合分析。实践中，要求技术员务必要与不同情况相结合，合理优化、调整分析流程和现场测试项目。如针对容量衰减锂电池开展失效分析，应当与失效表现、使用条件相结合，对失效行为予以逐步细化，明确诊断分析的侧重点[3]。倘若是正常的循环衰减，后期分析当中应当以材料总体结构变化、析锂、SEI生长过度等因素为侧重点。对于失效的锂电池实施外观检查，确定其在外部结构是否存在着异常变化情况、电解液是否存在着外漏情况等。无损检测。现阶段以全电池的电化学检测、X射线微米断面扫描等为主。经无损检测及分析获取结果，能够将锂电池的内部结构实际变化情况及量化失效具体行为确定下来，而若想获取最具精准度地实测及分析结果，则需技术员合理选定好测试项目，对测试分析整个流程予以合理调整。针对锂电池的有损检测，即通过拆解锂电池、观察极片、材料测试及分析等各种方式，将正负极片、隔膜、活性材料各层面因素在锂电池产生失效现象当中作用确定下来。材料测试及分析，主要是开展物化性能及电化学特性层面测试分析。针对锂电池基本失效机制层面研究，主要是要开展大量科研工作，对锂电池整个内部极具复杂性物理及化学的反应过程，实施模拟分析，将失效原因精准确定下来，并构建信息数据库。机制分析。可以设计材料及设计失效两个角度方面着手。针对材料体系层面，设定不同变量，分析锂电池及材料基本失效机制。除锂电池总体失效分析实施流程设计，锂电池产生失效问题分析步骤当中，还包含着采集失效信息、研究失效机制、测试分析科技手段等相关内容。锂电池相关失效信息资料采集，涉及直接性的失效问题现象、锂电池实际使用环境及条件等层面内容。失效分析实际工作内容当中，虽然明确具体分析对象、失效信息及失效模式、机制及成因、预防对策提出等，但开展失效分析整个过程当中，不应当仅局限在失效本质层面原因，还应当增加对技术管理实施方法、失效问题现象当中深层次的机制、标准规范等层面研究，且应当积极开展大数据及仿真模拟各项分析工作[4]。开展失效分析实践工作，其最终是要精准确定好失效模式，对失效成因做出定量分析，将失效机制理清，积累锂电池产生失效问题分析信息数据库，促使失效现象及模式、成因、优化或改进对策、模拟仿真试验分析、形成完整的数据链、原始材料及生产制造工艺、产品使用环境及条件、梯度利用和拆解回收等整个寿命周期范围失效分析顺利完成。通过将锂电池相关失效问题信息数据库有效构建起来，今后锂电池总体失效分析层面工作将实现智能化及电子化，经失效现象的实时采集，与失效问题信息数据库相结合，初步预测失效机制，形成更具高效合理化地测试分析实施流程，逐步克服以往失效分析当中的难点，对锂电池实施更具高效精准性地失效测试及其分析。2.2防范对策2.2.1逐步完善锂电池产品的生产制造标准针对锂电池所产生的失效风险，若想达到有效防范的目的，逐步完善锂电池产品的生产制造标准较为关键。对此，要求我国相关部门及企业就应当切实地结合实际，积极采集更多锂电池当中失效风险问题资料，并结合锂电池现有生产制造标准，经深入讨论分析后，不断地弥补不足，逐步完善、优化锂电池产品的生产制造标准，便于为锂电池当中各材料及部件日常检修维护提供重要依据，确保所生产制造的锂电池各项性能均可达标，防止后期使用过程当中会有失效情况出现。2.2.2定期开展故障问题检查和失效分析由于锂电池实际使用过程当中倘若出现了各种失效问题，则会严重威胁着锂电池总体使用性能及其寿命，严重情况下会诱发安全事故。对此，定期对锂电池开展故障问题检查和失效分析较为重要，属于防范锂电池产生失效风险问题的一项关键性举措。这就要求相关技术员们能够与实际情况相结合，积极分析及有效防范锂电池各种失效风险问题，要详细记录并分析各种潜在的安全隐患，经各种试验测试手段，排查锂电池内部各层面的失效风险问题，倘若发现锂电池潜藏着失效层面风险，则及时停止使用，做好失效问题的诊断分析及处理工作，以确保锂电池可正常安全地使用[5]。2.2.3有效确立标准化及规范化失效分析实施流程不同分析小组，选定同等测试分析的科技手段，在试验结果上往往仍有差异性存在，即便相同分析小组后期开展重复性的试验操作，最终获取试验结果仍存在差异性。而失效分析，其最终是以提出重要的解决对策为目的，试验结果层面差异性，会致使解决对策实施效果存在差异性，但这些问题往往并非局限于锂电池总体失效分析当中，其往往存在于航空、汽车、机械等工程领域失效分析当中。故可以说，标准化及规范化失效分析流程属于锂电池总体失效分析一个必然趋势，这就需广大技术员们能够多积累锂电池相关失效问题的测试分析实践经验，并结合实际情况，有效确立标准化及规范化失效分析实施流程，便于实现对现有失效分析所用方法及流程的合理优化、完善；此外，企业应当积极引入更多失效测试及分析技术手段、设施设备等，并定期对技术员开展专业培训，确保全体技术员均能够熟练掌握各种新的技术手段及设施设备操作方法等，便于能够更加精准