锂电池失效的分类及原因分析
来源：宝鄂实业
2019-02-17 14:39
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在能源危机和环境污染的大背景下，锂离子电池作为21世纪发展的理想能源，受到越来越多的关注。但锂离子电池在生产、运输、使用过程中会出现某些失效现象。而且单一电池失效之后会影响整个电池组的性能和可靠性，甚至会导致电池组停止工作或其他安全问题。
近年来国内外发生了多起与电池相关的起火爆炸事故：美国特斯拉ModelS电动汽车起火事故、SamsungNote7手机电池起火事故、武汉孚特电子厂房起火、天津SamsungSDI工厂起火等……
1锂电池失效的分类
为了避免上述出现的性能衰减和电池安全问题，开展锂电池失效分析势在必行。锂电池的失效是指由某些特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常，分为性能失效和安全性失效。
2锂电池失效的原因
锂电池失效的原因可以分为内因和外因。
内因主要指的是失效的物理、化学变化本质，研究尺度可以追溯到原子、分子尺度，研究失效过程的热力学、动力学变化。
外因包括撞击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素。
3锂电池常见的失效表现及其失效机理分析
容量衰减失效
“标准循环寿命测试时，循环次数达到500次时放电容量应不低于初始容量的90%。或者循环次数达到1000次时放电容量不应低于初始容量的80%”，若在标准循环范围内，容量出现急剧下滑现象均属于容量衰减失效。
电池容量衰减失效的根源在于材料的失效，同时与电池制造工艺、电池使用环境等客观因素有紧密联系。从材料角度看，造成失效的原因主要有正极材料的结构失效、负极表面SEI过渡生长、电解液分解与变质、集流体腐蚀、体系微量杂质等。
正极材料的结构失效：正极材料结构失效包括正极材料颗粒破碎、不可逆相转变、材料无序化等。LiMn2O4在充放电过程中会因Jahn-Teller效应导致结构发生畸变，甚至会发生颗粒破碎，造成颗粒之间的电接触失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放电过程中会发生“四方晶系-立方晶系”相转变，LiCoO2材料在充放电过程中由于Li的过渡脱出会导致Co进入Li层，造成层状结构混乱化，制约其容量发挥。
负极材料失效：石墨电极的失效主要发生在石墨表面，石墨表面与电解液反应，生产固态电解质界面相(SEI)，如果过度生长会导致电池内部体系中锂离子含量降低，结果就是导致容量衰减。硅类负极材料的失效主要在于其巨大的体积膨胀导致的循环性能问题。
近年来国内外发生了多起与电池相关的起火爆炸事故：美国特斯拉ModelS电动汽车起火事故、SamsungNote7手机电池起火事故、武汉孚特电子厂房起火、天津SamsungSDI工厂起火等……
1锂电池失效的分类
为了避免上述出现的性能衰减和电池安全问题，开展锂电池失效分析势在必行。锂电池的失效是指由某些特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常，分为性能失效和安全性失效。
2锂电池失效的原因
锂电池失效的原因可以分为内因和外因。
内因主要指的是失效的物理、化学变化本质，研究尺度可以追溯到原子、分子尺度，研究失效过程的热力学、动力学变化。
外因包括撞击、针刺、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素。
3锂电池常见的失效表现及其失效机理分析
容量衰减失效
“标准循环寿命测试时，循环次数达到500次时放电容量应不低于初始容量的90%。或者循环次数达到1000次时放电容量不应低于初始容量的80%”，若在标准循环范围内，容量出现急剧下滑现象均属于容量衰减失效。
电池容量衰减失效的根源在于材料的失效，同时与电池制造工艺、电池使用环境等客观因素有紧密联系。从材料角度看，造成失效的原因主要有正极材料的结构失效、负极表面SEI过渡生长、电解液分解与变质、集流体腐蚀、体系微量杂质等。
正极材料的结构失效：正极材料结构失效包括正极材料颗粒破碎、不可逆相转变、材料无序化等。LiMn2O4在充放电过程中会因Jahn-Teller效应导致结构发生畸变，甚至会发生颗粒破碎，造成颗粒之间的电接触失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放电过程中会发生“四方晶系-立方晶系”相转变，LiCoO2材料在充放电过程中由于Li的过渡脱出会导致Co进入Li层，造成层状结构混乱化，制约其容量发挥。
负极材料失效：石墨电极的失效主要发生在石墨表面，石墨表面与电解液反应，生产固态电解质界面相(SEI)，如果过度生长会导致电池内部体系中锂离子含量降低，结果就是导致容量衰减。硅类负极材料的失效主要在于其巨大的体积膨胀导致的循环性能问题。
