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1 鋰電池失效分析介紹

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國家標準GB3187-82中定義:“失效(故障)—— 產(chǎn)品喪失規 定的功能。對可修復產(chǎn)品，通常也稱(chēng)為故障。”鋰電池的失效是指由某些特定的本質(zhì)原因導致電池性能衰減或使用性能異常。鋰電池的失效主要分為兩類(lèi):一類(lèi)為性能失效, 另一類(lèi)為安全性失效,如圖1所示。性能失效指的是鋰電池的性能達不到使用要求和相關(guān)指標,主要有容量衰減或跳水、循環(huán)壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等;安全性失效指的是鋰電池由于使用不當或者濫用,出現的具有一定安全風(fēng)險的失效,主要有熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路、膨脹形變等。

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失效分析的誕生伴隨失效現象,以判定和預防其發(fā)生為目的。失效分析是一種判斷產(chǎn)品失效模式、分析失效原因、預測或預防失效現象的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。人們對鋰電池的使用性能指標提出了更高的要求,尤其凸顯在體積/質(zhì)量能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、成本、安全性能等方面。例如在《中國制造2025》中提到了能量型鋰電池比能量大于300 W·h/kg, 功率型鋰電池比功率大于4000 W/kg的發(fā)展目標。圖2為1990—2025年鋰離子電池能量密度發(fā)展路線(xiàn)圖。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求,提高電池的性能與安全性,縮短新體系研發(fā)周期,開(kāi)展鋰電池失效分析是十分必要的。

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雖然產(chǎn)品的誕生伴隨著(zhù)失效,但失效為人們所認知是從失效現象開(kāi)始, 所以失效分析工作要始于失效現象。首先應從鋰電池失效現象著(zhù)手，鋰電池失效現象是鋰電池失效分析的第一步, 是最直接最重要的失效信息之一。若沒(méi)有充分掌握和分析鋰電池失效的信息,則不能準確獲取鋰電池失效的根本原因,因而不僅不能提供建設性建議或可靠性評估。失效現象分為顯性和隱性?xún)刹糠帧?/span>顯性指的是直接可觀(guān)測的表現和特征,例如失效現場(chǎng)出現并可通過(guò)粗視分析觀(guān)察到的表面結構破碎和形變,包括起火燃燒、發(fā)熱、鼓脹(產(chǎn)氣)、變形、漏液、封裝材料破損及畸變、封裝材料毛刺、虛焊或漏焊、塑料材質(zhì)熔化變形等。隱性指的是不能直接觀(guān)測而需要通過(guò)拆解、分析后得到的或者是模擬實(shí)驗中所展現的表現和特征,例如通過(guò)實(shí)驗室拆解檢測到的微觀(guān)失效,以及模擬電池中電學(xué)信息等。鋰電池失效過(guò)程中常有的隱性失效現象有正負極內短路、析鋰、極片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜刺穿、電解液干涸、電解液變性失效、負極溶解、過(guò)渡金屬析出(含析銅)、極片毛刺、卷繞(或疊片)異常、容量跳水、電壓異常、電阻過(guò)高、循環(huán)壽命異常、高/低溫性能異常等。失效現象的范圍常常會(huì )與失效模式的范圍有交集,失效現象更偏向對現象的直接描述, 屬于對失效過(guò)程的信息收集和描述;失效模式一般理解為失效的性質(zhì)和類(lèi)型,是對失效的歸類(lèi)和劃分。鋰電池失效現象是電池失效表現的大集群,對其進(jìn)行定義和分類(lèi)是十分必要的。

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失效是失效原因的最終表現,也是失效原因在一定時(shí)間內疊加失效現象的結果。失效分析的重要任務(wù)之一是對失效原因進(jìn)行準確判定。常見(jiàn)的鋰電池失效原因有活性物質(zhì)的結構變化、活性物質(zhì)相變、活性顆粒出現裂紋或破碎、過(guò)渡金屬溶出、體積膨脹、固體電解質(zhì)界面(SEI)過(guò)度生長(cháng)、SEI分解、鋰枝晶生長(cháng)、電解液分解 或失效、電解液不足、電解液添加劑的失配、集流體腐蝕或溶解、導電劑失效、黏結劑失效、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、極片出現偏析、材料團聚、電芯設計異常、電芯分容老化過(guò)程異常等。圖3展示的是鋰電池內部失效情況。從鋰電池失效原因研究?jì)热菘蓪⑵浞譃橥庖蚝蛢纫颉?/span>其中外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素；而內因主要指的是失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì), 研究尺度 可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變化。鋰電池的失效歸根結底是材料的失效。材料的失效主要指的是材料結構、性質(zhì)、形貌等發(fā)生異常和材料間失配。例如,正極材料因局部Li+脫嵌速率不一致導致材料所受應力不均而產(chǎn)生的顆粒破碎,硅負極材料因充放電過(guò)程中發(fā)生體積膨脹收縮而出現的破碎粉化,電解液受到濕度溫度的影響發(fā)生分解或變質(zhì),石墨負極與電解液中添加劑的碳酸丙烯酯(PC)發(fā)生的溶劑共嵌入問(wèn)題, N/P(負極片容量與正極片容量的比值)過(guò)小導致的析鋰。

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鋰電池的失效原因并不總能與失效一一對應, 存在“一對多”、“多對一”和“多對多” 的關(guān)系。某一失效原因可能在時(shí)間跨度中有不同的表現, 例如充放電制度異常導致大電流充放電,最開(kāi)始可能會(huì )表現出極化較大,中間階段會(huì )因鋰枝晶的析出導致內短路, 隨后伴隨著(zhù)鋰枝晶的分解與再生, 最后可能會(huì )出現熱失控。某一失效原因可能會(huì )發(fā)生多種截然不同的失效, 例如局部過(guò)渡金屬的析出,可能會(huì )產(chǎn)生氣體, 形成鼓脹的失效表現,但也可能因為內短路形成局部發(fā)熱, 進(jìn)而導致隔膜收縮,引起大面積的熱失控。某一個(gè)失效現象可能對應著(zhù)多種失效原因,例如容量衰減究其失效機理有材料結構變化、微結構破壞、材料間接觸失效、電解液失效或分解、導電添加劑失效等。

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失效分析分為兩個(gè)方向:?其一為基于鋰電池失效的診斷分析, 是以失效為出發(fā)點(diǎn), 追溯到電池材料的失效機理, 以達到分析失效原因的目的; 其二為基于累積失效原因數據庫的機理探索分析, 是以設計材料的失效點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn), 探究鋰電池失效發(fā)生過(guò)程的各類(lèi)影響因素, 以達到預防為主的目的。

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鋰電池的診斷分析以鋰電池失效為出發(fā)點(diǎn),根據電池的失效表現, 對電池進(jìn)行電池外觀(guān)檢測、電池無(wú)損檢測、電池有損檢測以及綜合分析。面對實(shí)際案例時(shí),需要根據不同情況對分析流程及測試項目進(jìn)行調整和優(yōu)化。以容量衰減電池失效分析為例(如圖4所示),結合失效表現和使用條件細化失效行為,并提供相應分析側重點(diǎn)。如正常循環(huán)衰減,則后期分析注重于材料結構變化、SEI過(guò)度生長(cháng)以及析鋰等因素。通過(guò)對失效電池外觀(guān)檢查, 確定是否存在外部結構變化或電解液外漏等因素。無(wú)損檢測主要包括微米X射線(xiàn)斷面掃描(XCT)和全電池電化學(xué)測試。通過(guò)無(wú)損檢測分析的結論,進(jìn)一步確認內部結構變化情況、量化失效行為、選擇測試項目、調整分析流程。例如,對比圖5中某款 LiFePO4/C失效電池和新鮮電池全電池充放電曲 線(xiàn)分析顯示放電容量衰減21%, 進(jìn)一步對充放電曲線(xiàn)處理得到容量增量(IC)曲線(xiàn), 根據曲線(xiàn)峰位整體向高電位移動(dòng),表明存在材料結構變化引起鋰脫嵌難度增加,結合3.27 V和3.32 V處更為明顯的峰強變化,表明該電池容量衰減主要是由于活性鋰源損失及活性材料結構破壞,并且進(jìn)一步佐證了分析側重點(diǎn)。所謂電池有損檢測是指通過(guò)電池拆解、極片 觀(guān)察及材料測試分析來(lái)確定正負極片、活性材料以及隔膜等因素在電池失效中的作用。其中材料的測試分析則以物化性能和電化學(xué)性能測試為主。例如對上述LiFePO4/C失效電池極片進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)形貌測試結果顯示正極材料有明顯的結構破壞,X射線(xiàn)衍射(XRD)結構譜圖中18.5?和31?峰強的增加揭示了Fex(POy)相的增加,即正極材料存在相變現象(如圖6所示)。對極片表面進(jìn)行X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)分析,以及對極片進(jìn)行半電池測試則能夠定性和定量分析極片表面SEI和容量損失。最后總結得出定性或定量的失效原因,并提供分析報告。鋰電池失效機理研究是通過(guò)大量基礎科研,以及構建合理模型和驗證實(shí)驗, 準確模擬分析電池內部復雜的物理化學(xué)反應過(guò)程, 找出電池失效的本質(zhì)原因,構建失效原因數據庫。電池機理分析可能會(huì )從不同角度去開(kāi)展,包括設計材料角度和設計失效角度。

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以材料體系為出發(fā)點(diǎn),設計不同的變量分別對電池或材料的失效機理進(jìn)行研究(如圖7所示)。其中,以材料體系為出發(fā)點(diǎn)的機理分析工作常以基礎科研的形式進(jìn)行,此類(lèi)工作在科研院校中居多。需明確實(shí)驗目的,如“對比研究某材料體系常 溫下高倍率充放電的容量衰減機理”,“研究某款電解液添加劑對電池高溫循環(huán)性能的影響”等。設計實(shí)驗流程,并通過(guò)制備電池,模擬電池使用環(huán)境或使用條件以達到預期失效的目的。對失效電池進(jìn)行逆向解析, 結合材料體系分析電池失效機理。

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除了失效分析流程的設計外,鋰電池失效分析主要步驟還包括失效信息采集、失效機理研究、測試分析手段等內容。采集鋰電池的失效信息,包括直接失效現象、使用環(huán)境、使用條件等內容。雖然失效分析工作內容主要包括明確分析對象、收集失效信息、確定失效模式、研究失效機理、判定失效原因、提出預防措施。但失效分析不應局限于以找出產(chǎn)品失效的本質(zhì)原因為目的,應引發(fā)到對技術(shù)管理方法、標準化規范、失效現象深層次機理的思考, 以及融入大數據和仿真模擬等新思維。失效分析的最終目的是確定準確的失效模式,定量分析準確的失效原因,尤其是理清失效機理,積累失效分析數據庫,完成“失效現象-失效模 式-失效原因-改進(jìn)措施-模擬實(shí)驗”完整數據鏈以及“原始材料-制備工藝-使用環(huán)境-梯度利用及拆解回收”全壽命周期的失效研究。現階段,正在構建“鋰電池失效數據庫”。未來(lái),鋰電池失效分析將實(shí)現電子化和智能化,通過(guò)采集失效現象,結合“鋰電池失效數據庫”,給出失效機理初步預測以及合理、高效的測試分析流程。在此過(guò)程中,還需要解決很多困難,例如: 優(yōu)化失效分析流程、提供測試分析技術(shù)、攻克測試技術(shù)難點(diǎn)、規范測試分析方法等。

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2 失效分析難點(diǎn)

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鋰電池失效原因與失效之間并不是簡(jiǎn)單的“一對一”模式, 還有“ 一對多”、“多對一”、“多對多”等多維關(guān)系。此外,引起鋰電池失效的原因分為內因和外因,可以是來(lái)自組成材料本身的結構、物化性質(zhì)的變化,也可以是設計制造、使用環(huán)境、時(shí)間跨度等復雜因素。因此, 鋰電池的失效原因和失效之間的構效關(guān)系十分復雜(如圖8所示)。例如,正/負極材料的結構變化或破壞,都會(huì )產(chǎn)生容量上的衰減、倍率性能下降、內阻增大等問(wèn)題; 隔膜老化、刺穿是電池內短路的重要因素; 電池的設計,極片涂布、滾壓、卷繞等過(guò)程都直接與電池容量及倍率性能的發(fā)揮密切相關(guān);高溫環(huán)境會(huì )導致電池電解液發(fā)生分解變質(zhì),也會(huì )引起容量衰減、內阻增大、產(chǎn)氣等問(wèn)題。故想用單一失效原因去描述并剖析失效是不正確的, 且需要用定量角度剖析多種失效原因在某一階段的影響權重和主次關(guān)系, 才能對失效電池進(jìn)行準確的評估, 并針對性地提出合理的措施。

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鋰電池本身就是屬于現代控制論中的灰箱(灰色系統), 即對其內部物理、化學(xué)變化機理及熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程不是完全了解。眾所周知, 鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解質(zhì)、溶劑、導電劑、黏結劑、集流體、極耳等組 成。電池制備流程包含前段、中段、末段三部分, 包括打漿、涂布、烘干、輥壓、分條、配片、模切或卷繞、入殼、極耳焊接、注液、封口焊接、化成分容等步驟。圖9展示了鋰電池常見(jiàn)的制備過(guò)程, 圖中描述了各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中存在的影響電池使用性能的因素。但各個(gè)關(guān)鍵材料之間并不是獨立存在的, 各個(gè)制備步驟也不是獨立存在, 它們之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的,且會(huì )因應用領(lǐng)域的改變而發(fā)生較大變化。圖10表示電池材料性質(zhì)與性能的關(guān)系。目前常見(jiàn)的鋰電池正極材料有LiCoO2,LiFePO4,LiMn2O4,Li2MnO3-LiMO2,LiNixCoyAl1?x?yO2, LiNixCoyMn1?x?yO2, LiNi0.5Mn1.5O4等。常見(jiàn)的鋰電池負極材料有天然石墨、人造石墨、中間相碳微球MCMB、Li4Ti5O12、軟碳、硬碳、硅負極、SiOx-C負極、金屬鋰、復合金屬鋰等。根據不同的使用環(huán)境和要求, 選擇不同的正負極體系, 配以適當的電解液體系及其他輔助材料,在合適的制備流程下,做成滿(mǎn)足使用需求的各類(lèi)形式鋰電池。合格的鋰電池會(huì )應用到各行各業(yè),尤其在電動(dòng)汽車(chē)、船舶、航天航空等領(lǐng)域。從材料制備到產(chǎn)品使用的過(guò)程充滿(mǎn)著(zhù)可變性、復雜性, 因此,對鋰電池失效分析不能僅局限于電池關(guān)鍵材料的失效,同時(shí)要對材料結構、合成加工、性能設計、制造流程、服役情況、失效表現等進(jìn)行綜合考慮。