纽扣锂离子电池失效原因的研究

纽扣式锂离子电池故障研究

【摘要】本文简要介绍了锂离子电池的基本故障模型及锂离子电池的速率容量效应。讨论了纽扣式锂离子电池的内部自放电机理。

【关键词】锂离子电池;额定容量的影响;自放电;隔膜穿刺;点焊锂离子电池的失效形式重要有:容量衰减、泄放或泄漏、集液腐蚀、热失控等。其中容量衰减是最常见的失效模式，其原因有很多:在电极中，反复充放电降低了电极的活性表面积，新增了电流密度，新增了极化;在电解质溶液中，电解质或导电盐的分解导致其电导率下降，分解导致界面钝化。此外，隔膜被阻塞或损坏，电池内部短路也会缩短电池寿命。

1.锂离子电池故障模型

目前的研究认为，温度和工作电流是加速锂离子电池容量衰减的两个重要应力。在相同温度条件下，锂离子电池寿命与放电电流的关系基本遵循以电应力为加速度变量的加速度模型:

式(1)是锂离子电池的基本失效模型。在对数坐标系统中，锂离子电池的故障和放电电流也是线性的。

2.锂离子电池的速率容量效应

锂离子电池具有速率容量效应，即电池的实际容量会随着负载的变化而变化。负载越大，电池的容量就越小。其原理是电池的寿命在很大程度上取决于负极上反应区的状态。在小电流稳定放电的条件下，反应区均匀分布在负极上，可以充分发挥用途。然而,当电池大电流放电在某些时候,负电极表面的反应区域inuniformly所覆盖,导致一些活跃的斑点内层的不能参与反应,这将导致电池在高放电率很快失去权力。

3.锂离子电池自放电

锂离子电池的自放电也会导致电池容量的不可逆损耗，这可能是由于电池内部的一系列不可逆反应造成的。

阳极与电解液之间的不可逆反应(相对来说，重要发生在锰酸锂和镍酸锂这两种容易出现结构缺陷的材料中，如电解液中的锂离子与锰酸锂阳极之间的反应)。阴极材料与电解液的不可逆反应(形成的SEI是为了保护阳极免受电解液的腐蚀)。不可逆反应是由电解质本身的杂质和O2在溶剂中的反应引起的。类似的反应不可逆转地消耗锂离子的电解质，从而失去电池容量。其中，电解质中杂质的不可逆反应尤为常见。

此外，在电池的制造过程中，杂质引起的微短路也会引起不可逆反应，这是单个电池自放电量大的最重要原因。空气中的粉尘或金属粉末在电极、隔膜的生产过程中会引起电池中的小短路。由于完全无尘生产是不可能的，这种可能性是不可防止的。当灰尘不足以穿透隔膜并与正极和负极发生短路接触时，对电池的影响不大;但当粉尘严重到足以穿透隔膜时，对电池的影响是明显的。由于刺穿隔膜的学位的存在,当测试大量的电池的自放电率,通常发现大多数电池的自放电率集中在一个小范围内,而只有少量的电池的自放电率显著提高,小心翼翼地分布。这些是隔膜被刺穿的电池。