紐扣式鋰離子電池故障研究

【摘要】本文簡要介紹了鋰離子電池的基本故障模型及鋰離子電池的速率容量效應。討論了紐扣式鋰離子電池的內部自放電機理。

【關鍵詞】鋰離子電池;額定容量的影響;自放電;隔膜穿刺;點焊鋰離子電池的失效形式重要有:容量衰減、泄放或泄漏、集液腐蝕、熱失控等。其中容量衰減是最常見的失效模式，其原因有很多:在電極中，反復充放電降低了電極的活性表面積，新增了電流密度，新增了極化;在電解質溶液中，電解質或導電鹽的分解導致其電導率下降，分解導致界面鈍化。此外，隔膜被阻塞或損壞，電池內部短路也會縮短電池壽命。

1.鋰離子電池故障模型

目前的研究認為，溫度和工作電流是加速鋰離子電池容量衰減的兩個重要應力。在相同溫度條件下，鋰離子電池壽命與放電電流的關系基本遵循以電應力為加速度變量的加速度模型:

式(1)是鋰離子電池的基本失效模型。在對數坐標系統中，鋰離子電池的故障和放電電流也是線性的。

2.鋰離子電池的速率容量效應

鋰離子電池具有速率容量效應，即電池的實際容量會隨著負載的變化而變化。負載越大，電池的容量就越小。其原理是電池的壽命在很大程度上取決于負極上反應區的狀態。在小電流穩定放電的條件下，反應區均勻分布在負極上，可以充分發揮用途。然而,當電池大電流放電在某些時候,負電極表面的反應區域inuniformly所覆蓋,導致一些活躍的斑點內層的不能參與反應,這將導致電池在高放電率很快失去權力。

3.鋰離子電池自放電

鋰離子電池的自放電也會導致電池容量的不可逆損耗，這可能是由于電池內部的一系列不可逆反應造成的。

陽極與電解液之間的不可逆反應(相對來說，重要發生在錳酸鋰和鎳酸鋰這兩種容易出現結構缺陷的材料中，如電解液中的鋰離子與錳酸鋰陽極之間的反應)。陰極材料與電解液的不可逆反應(形成的SEI是為了保護陽極免受電解液的腐蝕)。不可逆反應是由電解質本身的雜質和O2在溶劑中的反應引起的。類似的反應不可逆轉地消耗鋰離子的電解質，從而失去電池容量。其中，電解質中雜質的不可逆反應尤為常見。

此外，在電池的制造過程中，雜質引起的微短路也會引起不可逆反應，這是單個電池自放電量大的最重要原因。空氣中的粉塵或金屬粉末在電極、隔膜的生產過程中會引起電池中的小短路。由于完全無塵生產是不可能的，這種可能性是不可防止的。當灰塵不足以穿透隔膜并與正極和負極發生短路接觸時，對電池的影響不大;但當粉塵嚴重到足以穿透隔膜時，對電池的影響是明顯的。由于刺穿隔膜的學位的存在,當測試大量的電池的自放電率,通常發現大多數電池的自放電率集中在一個小范圍內,而只有少量的電池的自放電率顯著提高,小心翼翼地分布。這些是隔膜被刺穿的電池。