深度剖析锂离子电池的故障

锂离子电池在现代应用中很受欢迎，但许多用户都经历过锂离子电池故障。本文的重点是解释困扰锂离子电池的故障。

数百万人依赖锂离子电池。锂离子存在于手机、笔记本电脑、混合动力汽车和电动汽车中。该技术由于其高能量密度、充电能力和轻量化特性而面临极端增长。

电压效应

锂离子电池可能会受到过压和欠压效应。如图1所示，电池的工作电压和温度必须保持在用绿色框标记的点。否则，细胞可能会损坏。

图1. 锂离子电池的操作窗口。图片由Simon Mugo提供

电压

过压是指锂离子电池单元的充电电压增加到超过预定上限（通常为4.2 V）时。流入锂离子电池的电流过大会导致过热和镀锂，从而导致电池故障。

当电流过大时，过多的焦耳会引发更多的热量进入电池，导致过热。过热导致电池温度升高，从而导致故障。

过大的电流会阻止锂离子在碳制成的阳极插层之间的快速调节。相反，锂离子积聚在阳极表面上并以金属锂的形式沉积。这导致锂离子减少，电池容量显着损失，并进一步引发电池结构内的短路。

由于电池元件内发生的不均匀性，低温也会导致镀锂，这是由于电池的制造缺陷或误用造成的。

过放电/欠压

过放电是指电压从电池单元排出到两伏以下。欠压是一种源于长时间不使用电池直到电压低于每节电池 2 V 的情况。这两个条件导致阳极和阴极破裂。

阳极集流体溶解到电池电解液中，导致电池单元自放电率上升，同时试图将电池单元增加到2 V以上。溶解在电解质中的铜离子是电池短路的危险成分。

在低于 2 V 的电池长时间存储也会导致阴极腐蚀，在锂锰氧化物和钴酸锂阴极中产生长时间氧气后最终会分解，从而导致电池容量永久损失。

收费状态

为了克服过充电、充电不足和过度放电的问题，电池单元应处于充电状态。锂离子电池的推荐充电状态如图2所示。

图2.电池的充电状态。图片由Simon Mugo提供

如果锂离子电池在图2所列条件之外运行，则电池寿命会缩短。

温度影响

热量已被归类为主要的电池寿命降低剂之一。超过或低于所需的最低限制都是电池杀手。因此，锂离子电池应经受完善的温度控制机制。

在低温下运行

随着温度的下降，化学反应速率降低是正常的。降低工作温度会降低细胞活性化学物质转化的速度。其结果是降低了充电和放电过程的载流能力。简单来说，电池的功率处理能力会降低。低温的另一个影响是减慢锂离子插入电池插层空间的速度。由于锂镀层和功率降低，这会导致不可逆的电池容量损失。

高温下运行

将电池单元置于高温下会带来另一组与低温引起的问题不同的问题。在如此高的温度下，一种称为阿伦尼乌斯效应的情况通过增加电池内的反应速率从电池中消耗更高的功率。此外，较高的电流会引发高热量的产生和散发。

热失控

热失控积聚会发生几个阶段，导致电池单元损坏。

第 1 阶段：薄钝化 SIE 层击穿

位于阳极上的该层的分解是由于电池的物理渗透或过热而发生的。最初，过热可能源于电流过剩、极端环境温度和电池过度充电。SEI层的分裂发生在约75°C的极低温度下。 该层的分解导致电解质和阳极的反应类似于形成过程中发生的情况，但这以高速率和不受控制的方式发生。

第 2 阶段：有机溶剂分解

随着温度的不断升高，阳极反应不断产生热量，导致电池电解质中使用的有机溶剂分解，产生易燃碳氢化合物气体。当电池温度达到 110°C 时，就会发生该阶段。 产生的气体在电池单元内产生压力积聚。幸运的是，产生的气体不含氧气，不能燃烧。大多数电池都设计有排气孔，将这些气体释放到大气中，调节这种压力并消除电池破裂的可能性。

第 3 阶段：聚合物隔膜的熔化

当电池温度达到 135°C 时，就会发生此阶段。 在这里，聚合物隔板熔化并在电极之间引入短路。

第 4 阶段：金属氧化物阴极击穿

金属氧化物阴极击穿是由电解击穿过程中产生的热量引起的。在这个阶段，金属氧化物阴极的材料释放氧气，触发电池电解液和电池中其他易燃气体的燃烧。阴极击穿过程也会产生大量热量，增加电池的压力和温度。对于由钴酸锂制成的电池，阴极击穿过程发生在200°C左右，但如果涉及其他化学物质，温度可能会更高。

不均匀效应

阳极和隔板表面之间发生的局部缺陷引起的电流不均匀流动也会导致镀锂效应。以下是一些缺陷的示例。

制造缺陷

一些制造缺陷包括：

局部电解液干燥

机械部件变形

阳极涂层不均匀

分离器孔变形或堵塞

集流体分层

活性化学污染

电池单元中发生的一些滥用缺陷包括：

铜沉积，由于电池充电时间过长而发生的影响

物理电池损坏

循环寿命

图3. 细胞循环寿命和温度图。图片由Simon Mugo提供

温度和电压故障对电池单元的影响往往是立竿见影的，但它对循环寿命的影响要小得多。建议在操作窗口外操作电池，导致电池失去不可逆的容量。

图3表明，从15°C循环开始，在低温下工作时寿命逐渐缩短。当工作温度高于50°C时，也会导致循环寿命缩短，但在70°C时，螺纹会变为热失控。电池应具有热管理系统，以保持电池每时每刻在设定的最佳位置运行，从而减少电池单元的磨损。

锂离子电池故障的要点

锂离子电池单元故障可能源于电压、温度、不均匀性效应等。

过压或欠压效应可能会发生电压效应。

当电池的充电电压增加超过每节电池4.2 V的预定上限时，就会发生过压效应。

过压导致向电池提供更多电流，从而引发过热和镀锂。

当电池由于长时间存放而未充电而降至 2.0 V 的最低预期电压以下时，就会发生欠压，从而影响电池的阳极和阴极。

温度效应会在低温或高温下损害电池。

高温会导致高散热和产生，这对电池的电芯不利。

热失控是对电池单元的另一种温度影响，其积聚会损坏电池单元。

由于制造和电池滥用缺陷而发生不均匀性缺陷。