锂电池失效原因与失效之间并不是简单的“一对一”模式,还有“一对多”、“多对一”、“多对多”等多维关系。
此外,引起锂电池失效的原因分为内因和外因,可以是来自组成材料本身的结构、物化性质的变化,也可以是设计制造、使用环境、时间跨度等复杂因素。因此,锂电池的失效原因和失效之间的构效关系十分复杂。
例如,正/负极材料的结构变化或破坏,都会产生容量上的衰减、倍率性能下降、内阻增大等问题;隔膜老化、刺穿是电池内短路的重要因素;电池的设计,极片涂布、滚压、卷绕等过程都直接与电池容量及倍率性能的发挥密切相关;高温环境会导致电池电解液发生分解变质,也会引起容量衰减、内阻增大、产气等问题。
故想用单一失效原因去描述并剖析失效是不正确的,且需要用定量角度剖析多种失效原因在某一阶段的影响权重和主次关系,才能对失效电池进行准确的评估,并针对性地提出合理的措施。
锂电池本身就是属于现代控制论中的灰箱(灰色系统),即对其内部物理、化学变化机理及热力学与动力学过程不是完全了解。
锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解质、溶剂、导电剂、黏结剂、集流体、极耳等组成。电池制备流程包含前段、中段、末段三部分,包括打浆、涂布、烘干、辊压、分条、配片、模切或卷绕、入壳、极耳焊接、注液、封口焊接、化成分容等步骤。
但各个关键材料之间并不是独立存在的,各个制备步骤也不是独立存在,它们之间是相互关联、相互影响的,且会因应用领域的改变而发生较大变化。
常见的锂电池负极材料有天然石墨、人造石墨、中间相碳微球MCMB、Li4Ti5O12、软碳、硬碳、硅负极、SiOx-C负极、金属锂、复合金属锂等。
根据不同的使用环境和要求,选择不同的正负极体系,配以适当的电解液体系及其他辅助材料,在合适的制备流程下,做成满足使用需求的各类形式锂电池。
合格的锂电池会应用到各行各业,尤其在电动汽车、船舶、航天航空等领域。从材料制备到产品使用的过程充满着可变性、复杂性。
因此,对锂电池失效分析不能仅局限于电池关键材料的失效,同时要对材料结构、合成加工、性能设计、制造流程、服役情况、失效表现等进行综合考虑。