リチウム電池の故障分類は何ですか？それが故障の原因ですか？

エネルギー危機や環境汚染の中で、21世紀の発展に理想的なエネルギー源としてリチウムイオン電池がますます注目を集めています。ただし、リチウムイオン電池は、製造、輸送、使用中に故障する場合があります。さらに、単一のバッテリーの故障は、バッテリーパック全体のパフォーマンスと信頼性に影響を与える可能性があり、バッテリーパックの動作停止やその他の安全上の問題を引き起こす可能性さえあります。

近年、米国のテスラModelS電気自動車火災事故、SamsungNote7携帯電話バッテリー火災事故、Wuhan Fute電子工場火災、Tianjin Samsung SDI工場火災など、国内外で多くのバッテリー関連の火災および爆発事故が発生しています。 、など。

1リチウム電池の故障分類

上記の性能低下や電池の安全性の問題を回避するためには、リチウム電池の故障解析を実施することが不可欠です。リチウム電池の故障とは、電池の性能低下や性能異常の特定の本質的な原因によって引き起こされる性能低下や安全性の低下を指します。

2リチウム電池の故障

リチウム電池の故障の理由は、内部と外部の原因に分けることができます。

内部要因は、主に故障の物理的および化学的変化を指します。研究規模は原子および分子規模にまでさかのぼることができ、破壊過程の熱力学と動力学が研究されます。

外的要因には、衝撃、鍼治療、腐食、高温燃焼、破壊行為などの外的要因が含まれます。

3リチウム電池の一般的な故障性能と故障メカニズムの分析

容量減衰障害

「標準サイクル寿命試験では、サイクル数が500に達したときの放電容量は初期容量の90％以上でなければならない。またはサイクル数があったときの放電容量は初期容量の80％以上でなければならない。標準サイクル範囲で容量の急激な低下が容量減衰の失敗である場合、1000 "に達します。

電池容量の減衰の根本原因は材料の故障であり、電池の製造工程や電池の使用環境などの客観的要因と密接に関係しています。材料の観点から、故障の主な原因は、正極材料の構造的破損、負極表面のSEI遷移成長、電解質の分解と劣化、集電体の腐食、およびシステム内の微量不純物です。

正極材料の構造的破損：正極材料構造の破損には、正極材料の粒子破壊、不可逆的な相転移、材料の無秩序などが含まれる。 LiMn2O4は、充電および放電中のヤーン・テラー効果により歪んでおり、粒子の破損さえ発生し、粒子間の電気的接触障害を引き起こします。 LiMn1.5Ni0.5O4材料は、充電および放電中に「正方晶-立方晶系」の相転移を起こします。 LiCoO2材料は、充電および放電中のLiの遷移により、CoをLi層に導き、カオス層構造をもたらし、その再生能力を制限します。

アノード材料の故障：グラファイト電極の故障は主にグラファイト表面で発生し、グラファイト表面は電解質と反応して固体電解質界面相（SEI）を生成します。過度の成長がバッテリーの内部システムのリチウムイオン含有量の減少につながる場合、結果は容量の低下になります。シリコンベースのアノード材料の故障は、主にその巨大な体積膨張によって引き起こされる周期的な性能の問題によるものです。

電解質の故障：LiPF6は安定性が低く、分解されやすく、電解質中の輸送可能なLi +含有量が減少します。また、電解液中の微量の水と容易に反応してHFを形成し、バッテリー内部の腐食を引き起こします。気密性が悪いと電解質が劣化し、電解質の粘度や色度が変化し、輸送イオンの性能が急激に低下します。

集電体の故障：集電体の腐食と集電体の付着力が低下します。上記の電解質の故障によって生成されたHFは、集電体の腐食を引き起こし、導電性の低い化合物をもたらし、オーミック接触の増加または活物質の故障をもたらします。充電および放電プロセス中に、Cu箔は低電位で溶解し、正極の表面に堆積します。これは「銅の沈殿」と呼ばれます。流体収集の失敗の一般的な形態は、集電体と活物質との間の結合力が活物質を剥がすには不十分であり、電池に容量を提供できないことである。

内部抵抗の増加

リチウム電池の内部抵抗の増加は、エネルギー密度の低下、電圧と電力の低下、電池の発熱などの故障を伴います。リチウムイオン電池の内部抵抗の増加につながる主な要因は、電池の主要な材料と電池が使用される環境です。

電池の主な材料：正極材料の微小亀裂と破壊、負極材料の損傷と過度の表面SEI、電解質の老化、集電体からの活物質の剥離、活物質と活物質との接触の劣化導電性添加剤（導電性添加剤の喪失を含む）、ダイヤフラム収縮穴の詰まり、バッテリータブの異常溶接など。

バッテリーの使用環境：周囲温度が高すぎる/低すぎる、過充電と過放電、高速充電と放電、製造プロセスとバッテリー設計構造。

内部短絡

内部短絡は、リチウムイオン電池の自己放電、容量の減衰、局所的な熱暴走、および安全事故を引き起こすことがよくあります。

銅/アルミニウム集電体間の短絡：電池の製造または使用中にトリミングされていない金属異物穿刺ダイヤフラムまたは電極、および電池パッケージ内のポールピースまたはタブの変位により、正と負の集電体が接触します。

ダイヤフラムの故障による短絡：ダイヤフラムの経年劣化、ダイヤフラムの崩壊、ダイヤフラムの腐食などはダイヤフラムの故障につながり、ダイヤフラムの故障は電気絶縁を失うか、ギャップが大きくなり、正極と負極が接触します。局所的な熱は厳しく、充放電は周囲に広がり続けます。 、熱が制御不能になる原因になります。

不純物は短絡を引き起こします。正極スラリー中の遷移金属不純物は洗浄されないため、セパレーターに穴が開いたり、負極のデンドライトが形成されて内部短絡が発生したりする可能性があります。

リチウムデンドライトによる短絡：リチウムデンドライトは、長いサイクル中に局所電荷が均一でない場所に現れ、デンドライトがダイアフラムを通過して内部短絡を引き起こします。

不当な設計または過度の分圧は、バッテリーの設計および製造またはバッテリーの組み立てにおいて内部短絡を引き起こす可能性があります。内部短絡は、バッテリーのオーバーシュートと過放電の誘導下でも発生する可能性があります。

ガス生産

安定したSEI膜を形成するために電池形成プロセス中に電解質が形成されるときに発生するガス生成現象は通常のガス生成ですが、電解質放出ガスの過渡的な消費または正極材料からの酸素の放出の現象は異常な収縮です。ソフトパッケージバッテリーによく見られ、バッテリーの過度の内圧が変形し、パッケージのアルミニウムフィルムが破損し、内部バッテリーに接触する可能性があります。

電解質または電極活物質中の微量水分は乾燥せず、電解質中のリチウム塩が分解してHFを生成し、集電体Alを腐食し、バインダーを破壊して水素ガスを生成します。電解質の範囲では、電解質中の鎖/環状エステルまたはエーテルが電気化学的に分解され、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、CO2などが生成される可能性があります。

熱暴走

熱暴走とは、リチウムイオン電池の局所的または内部全体の温度が急速に上昇し、時間内に熱を放散できず、内部に大量に蓄積し、さらに副反応が引き起こされることを意味します。リチウム電池の熱暴走を引き起こす要因は、異常な動作条件、すなわち乱用、短絡、高いオーバーシュート、高温、押し出し、および鍼治療です。

バッテリー内部の一般的な熱的挙動

リチウム

リチウムの析出は、電池の負極表面に金属リチウムが析出することであり、リチウム電池の一般的な経年劣化現象です。リチウムの堆積は、バッテリー内の活性リチウムイオンの量を減らし、容量障害を引き起こし、膜を貫通するデンドライトを形成します。これにより、局所的な電流と過度の熱が発生し、最終的にバッテリーの安全性の問題が発生します。

中国の故障解析は、機械および航空宇宙の分野で体系的に開発されており、リチウム電池の分野では体系的に研究されていません。電池会社や材料会社はリチウムイオン電池の故障解析に関する研究を行ってきましたが、そのほとんどが電池の性能向上と電池コストの削減を直接の目標として、電池の製造工程や材料の研究開発に注力しています。将来の研究機関や関連会社は、協力と交流を強化し、リチウムイオン電池の故障のフォールトツリーと故障解析プロセスの確立と改善に努めることができます。

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