动力电池系统(电芯)失效模式分析-安全性失效和非安全性失效

文摘   2025-01-17 20:42   广东  

动力电池系统通常由电芯、电池管理系统、Pack系统含功能元器件、线束、结构件等相关组建构成。动力电池系统失效模式,可以分为三种不同层级的失效模式,电芯失效模式是第一层级的失效。主要讲解电芯失效模式:

电芯的失效模式又可分为安全性失效模式和非安全性失效模式

电芯安全性失效主要有以下几点:

1、电芯内部正负极短路:

电芯内部微短路大致可以分为两种:

①物理短路,由阴阳极的集流体突破电解质和隔膜发生物理接触而形成短路;在内部电芯与电芯间或者单电芯内发生微小的正负极短接现象即为内部微短路;

②化学短路,在充放电过程中,由于电池活性材料和电解质、隔离膜自身起了化学变化而引起的局部电子导通。

2、电池单体漏液:

电池漏液的有原因有:外力损伤;碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏;制造原因:焊接缺陷、封合胶量不足造成密封性能不好等。

电池漏液后整个电池包的绝缘失效,单点绝缘失效问题不大,如果有两点或以上绝缘失效会发生外短路。从实际应用情况来看,软包和塑壳电芯相比金属壳单体更容易发生漏液情况导致绝缘失效。

3、电池负极析锂:

什么是负极析锂:石墨的嵌锂电位为65~200mV(vs. Li+/Li0)。当负极电位接近或低于金属锂的析出电位时,锂离子以锂金属的形式析出在负极表面。
实验发现,锂离子在负极表面的析出反应和石墨中的嵌入反应同时进行。在充电过程中,部分锂离子以锂金属的形式沉积在负极表面,其余锂离子嵌入石墨中。
在放电过程中,会发生离子的脱嵌和沉积的锂金属的剥离。在金属锂的剥离过程中,会形成“死锂”。

“死锂”与电解液的反应是锂离子电池容量损失、循环寿命缩短的主要原因。负极的锂析出是电荷转移限制(CTL)和固体扩散限制(SDL)的结果。
随着充电的进行,石墨层间可嵌入锂离子的位置逐渐减少,限制了锂离子在石墨固相中的扩散,相应的嵌锂电流也逐渐减小。
同时,由于锂离子从电解质中扩散到负极的速率远大于其嵌入石墨的速率,导致越来越多的锂离子积聚在石墨表面,驱动电势负极的电位接近析锂电位,导致锂在负极沉积。

4、电芯胀气鼓胀:

锂电池鼓胀是一个复杂的问题,涉及到电池内部的化学反应和物理变化。

锂离子电池在滥用条件下(如高温、浮充电、短路、过充电、过放电、振动、挤压和撞击等),容易出现气胀、冒烟,甚至着火等失效的情况。在过充电、过放电和浮充电等条件下,锂离子电池的气胀问题会更严重。

但是从机理上来说,电解液中的主要溶剂产气情况如下:

电池中的杂质,尤其是水分,会与电解液中的LiPF6反应生成HF,导致电池体系不稳定,并产生气体。

当有内短路点出现时,局部温度急剧升高,导致电解液分解产气;

以上几种失效模式是非常严重的问题,可能会造成人员伤亡。即使一个电芯使用1、2年没有问题,并不代表这个电芯以后没有问题,使用越久的电池失效的风险越大。

电芯的非安全性失效只是影响使用性能,主要有以下几点:

1、容量一致性差:

2、自放电过大:

3、低温放电容量减少:

4、电池容量衰减:

就不一一赘述了。

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