波音787锂离子电池失效分析
锂离子电池失效分析及后果PFMEA-excel版
内阻高、平台低、 容量及安全性能差
来料不良
制成电芯测试
外观
包装无破裂,破损,变形等硬伤痕
灰尘、杂质、 浆料有颗 粒，涂布 运输破损、来料
大颗粒
划痕
不良
目测
粒径
325目通过率≥85%
粒径过大
涂布不均匀 、易掉料
来料不良
粒度分析仪
振实密 度
≥0.5g/cm3
振实密度偏低
吸湿性
相对湿度≥40%，压片后≥6hr，不 掉料
pH值偏高或偏 低
打胶胶体性能差
硬度偏大 影响电池容量发挥
电导率偏大
自放电大
来料不良 来料不良 来料不良
pH精密试纸 电导率仪
外观 包装无破裂，破损，变形等硬伤痕 吸潮、结块
粘接性差
运输破损、来料 不良
目视
4
15
pH计
1
化学测量
24
35
粘结剂为白色粉末，加入溶剂后能 溶解性 完全溶解，无杂质，不溶物出现， 不能完全溶解
振实密度偏低 体积比容量低
来料不良
来料检
126
振实密度仪
电池性 能
50次循环容量保持≥95%，100次循 环容量保持率≥92%，初始平台
≥48min，100次循环平台下降小于 7min，50次循环平台下降小于 5min
电池电化学性 能差
内阻高、平台低、 容量及安全性能差
来料不良
制成电芯测试
84
电化学工作 站 CHI660A
性能差
来料不良
9083、新威 DPS51800）、内
21
循环平台下降
阻测试仪、卡尺
小于7min，50
次循环平台下
波音787的锂电池风波
2013年4月25日，美国联邦航空署（简称FAA）正式批准了波音飞机公司关于波音787电池的修改案，这为波音787重返蓝天打开了大门。
波音公司已经开始对已经交付和已经下线但尚未交付的所有波音787进行修改，并由FAA核实。
波音估计每架飞机需要5天时间来完成修改，到4月中，已有10架已经交付的波音787完成修改，另有9架待交付的波音787 也完成修改，预计5月中以前可以把所有已经交付和待交付的飞机完成修改。
以后交付的飞机将直接采用修改后的锂电池。
4月27日，埃塞俄比亚航空公司的一架波音787从首都亚的斯亚贝巴起飞，两小时后安全抵达肯尼亚的罗毕，标志着波音787恢复飞行，如果不出意外，锂电池风波到此大体平息。
当然，这不是一般的日常航班飞行，机上大部分乘客是波音和埃塞俄比亚航空公司的高官，还有大批新闻记者。
埃塞俄比亚航空公司的波音787进行了首次该机型复飞后的商业飞行风波开始于2013年1月7日，一架日航的波音787在波士顿娄根机场的停机坪上，机身后部的辅助动力电池发生过热，导致起火。
机场消防队花了一个多小时才扑灭火焰。
事后检查发现，不光电池和壳体重损坏，泄漏的熔融电解质和炽热气体使得半米以外的机体结构也受到损坏。
美国交通安全调查局（简称NTSB）的调查发现，局部钢结构有气化后冷凝的迹象，这说明局部温度有可能高达3000度。
9天之后的1月16日，另一架全日空的波音787从山口往东京成田机场飞行，起飞后不久即将达到巡航高度时，飞行员在驾驶舱闻到刺鼻的烟味，仪表板上警告灯也显示电池故障。
飞机立刻在高松机场紧急降落，所幸机上129名乘客和8名机组人员通过紧急出口和充气滑梯安全逃生成功。
事后检查发现，前机身驾驶舱下电子舱里的主电池过热烧毁，壳体重损坏。
日航波音787后机身冒出浓烟全日空波音787因电池起火而紧急降落日航和全日空立刻宣布所有波音787停飞，FAA也随即宣布所有美国注册的波音787停飞，这是1979年后FAA首次下令特定的民航客机停飞。
波音787锂离子电池
简介
原因
仿真演示
结论展望
介绍
2013年1月7日， 787客机正常降落在洛根国际机场，173名乘客和11 名机组人员已下机。一名机务人员。一名技术人员发现APU（auxiliary power unit）辅助电力系统出现故障， 15分钟后发现驾驶舱和客舱有轻烟， 并通知了马萨诸塞港务局。第一时间的汇报阻止了这场事故，电池只是起 了一个鼓包，但电池燃烧事故真的发生了。
简介
原因
仿真演示
结论展望
根本原因分析
简介
原因
仿真演示
结论展望
根本原因分析
Zone III，如图3所示，给出了电池在10时20分0秒到10时22分56秒 的数据。在10时21分9秒APU电池的总线电压从32V下降到31V，同 一时间显示出电流为负，表明电池不是出现了一个放点过程就是 出现了软短路。从10时21分04秒到10时21分07秒，电池电压几乎 增加至45安在持续大约4秒钟，然而电压却从31V下降到30V，这 种现象对于电池来说是异常的，因为通常电压的增加或者不变电 流都会保持一个相对恒定的值。在10时21分08秒，电池切换到放 电模式，电流为-3安，并在10时21分09秒APU电池总线电压下降 至29V，在10时21分10秒时电压增加到31V而电流没有变。预警系 统的信息表明，APU电池在10时21分15秒出现故障。数据显示， APU电池在故障预警后仍让在继续运行，在10时21分30秒，电压 从31V下降到28V，并在10时21分37秒时APU电池总线电压三次下 降到0V又回到28V，而结论展望
波音787Dreamliner电池故障问题
介绍
介绍
波音787，又称梦想飞机，是一种中型双发动机宽体中远程飞机，它第一 次商业飞行开始于2011年后期。在2013年1月16日因为出现了锂离子电池故障， 因此世界各地的787被全面要求停止一切飞行。一场对这个为飞机上提供后备 电力，同时在飞机发动是提供动力的锂离子电池的安全问题的小组被迅速成立。 这次事故使航空工业的名声受到了损害，并且对波音公司和他们的供应商造成 了极大的财政损失。全日本航空公司报道，在2012年5月至12月至少有10个电 池被返厂，原因是因为这些电池突然异常的低电压或者异常现象。 2012年12月4日，一架联合公司的航班因为其仪表板的模板上出现电弧而 被迫紧急降落在新奥尔良，最初这起故障被认为是机械上的正常现象，但是最 后才发现，此事故是由于出现在电源板母版上的电弧引起的。 2012年12月13日，一架卡塔尔航线的飞机也因为同样的问题而被迫降落。 几天后，联合航空公司确认另外一架波音787同样遇到了电气问题。 2013年1月9日，还有另外一起故障被报道出来，刹车诊断系统错误报警。 而这些故障真正引起了大量关注是因为两起灾难性的电池故障，他们出现的时 间间隔仅仅十天在2013年的1月。
波音787电池问题浅析
引出 片1
引出 片2
扎乱无章 的信号线
②箱体正负极引出片距离太近，在一定条件下导致拉弧可导致 短路； ③从箱体的线束布置来看，比较混乱，线束在飞机运行中窜动 失效导致导线破损短路或干扰； ④提示电池连接为螺母形式，连接位置松动失效或者虚接引起 高温烧毁； ⑤保护板质量问题烧毁，对于日本的电子制造技术还是值得 信赖的，所以这种可能性比较低
1、下面对该电池箱体结构和线束分布进行一个剖析。通过图片来看箱 体规格为11cm*18cm*12cm左右，有正负极和信号线插口。电池箱 外观设计并没有特别之处，并不是很好看，也没有箱体固定结构，估计 也是成本问题。
箱体周围 没有固定 结构，难 道是直接 放在地上 的？
信号插口
正、负极
2、通过揭开盖子的箱体看，整个箱体内也没有什么特别设计，无电池 固定结构，除了有一层电池与盖子的绝缘隔板，基本无任何结构特征， 对电池进行固定，箱体内的线束混乱。
下图是本人实际工作中碰到的两个起火案列，与本案起火十分 相似。
பைடு நூலகம்起火位置
整个电池 箱烧毁
螺钉松动造成接触不良起火
电池箱内部短路造成起火烧毁
此次起火事故给我们业内人士提了一个醒。不过目前我目前了解 我们还有很多电池公司并未认识到成组后电池起火的原因，大部分 都认为是电池的原因，认为两个电池只要导电就可以了，甚至很多 人认为只要好了热管理，就不怕高温，但是成组问题和单体连接问 题，只考虑箱体温度是远远不够的，现在只有少部分公司做连接失 效分析。同时我们现有的BMS的在监控和报警，不应仅仅停留在电 压，电流，充放电控制，箱体短路，几个温控点监测，应该更加全 面，如本案的螺钉连接防松，单体漏液等。BMS需要更加及时和准 确的反馈，在第一时间发出危险信号，并有切断和备选策略，这样 技术人员才能将这些潜在危险排除，这值得我们业内人士思考。
波音787或需重新设计电气系统
波音787或需重新设计电气系统最糟糕的情况则是：调查人员认定使用锂离子电池存在固有的缺陷，而波音公司需要重新设计电气系统，并对所有梦幻客机进行大幅度的问题修复。
我们还不知道是什么造成了波音公司（Boeing）787梦幻客机的电气系统问题？航空管理部门的官员作出了波音787全球停飞的决定，调查人员也开始检查飞机上的高科技电气系统，在这之后仅仅数天，有一件事情变得很清楚：修复可能并不容易，而波音787滞留地面的时间可能会很长。
波音787的麻烦始于1月7日发生在波士顿的一次事故，当时一架空客机内的电池燃烧起来。
美国联邦航空管理局（U.S. Federal Aviation Administration）在1月11日下令对波音787的关键系统进行检查。
但就在1月16日，日本又发生一起波音787迫降事故，当时机内的报警器提示一间电子设备舱内出现烟雾，而乘客也称在机舱内闻到烧焦的味道。
结果，美国联邦航空管理局下令美国所有航空公司停飞波音787的航班，各国航空管理部门随后跟进，到1月17日，梦幻客机已在全球范围内停飞。
调查人员没花多长时间就找到了问题的根源：高科技的梦幻客机使用的是锂离子电池（跟笔记本电脑和手机中的电池是一样的）和电动马达，而不是传统的液压控制系统。
使用电池的系统更小也更轻，其目的是让梦幻客机拥有更高的燃油效率。
但在接受调查的几次事故中，锂离子电池变热并着火。
调查人员正试图找出其电池着火原因。
对于波音公司及其航空公司客户来说，最好的情况是，那些电池只不过是被过度充电，从而让问题变成用户操作失误；而最坏的情况则是，梦幻客机的设计存在一些深层次的缺陷。
然而，美国国家运输安全委员会（National Transportation Safety Board）在周日结束了其对波士顿起火客机飞行数据的审查，并确定起火的电池没有超过其设计的电压。
现在，来自国家运输安全委员会、联邦航空管理局以及国际同类机构的调查人员正在扩大他们的关注范围，以对整个辅助供电装置进行检查——波音公司正是从这里开始出现问题的。
锂离子电池的失效分析与故障机理
锂离子电池的失效分析与故障机理中国储能网讯：一、负极活性物质本文对负极材料失效机理的解析主要基于商业化的碳基材料。
虽然，新型负极材料，如硅、锡和一些氧化物，目前被广泛的研究，并取得了较大的科研进展。
然而由于在锂离子脱嵌循环过程中，这些材料容易产生较大的体积膨胀，严重影响其电化学性能。
因此，还未能在商业化电池中广泛使用。
1 SEI膜的生成与生长在商业化锂离子电池体系中，电池的容量损失部分是来自于石墨与有机电解液之间的副反应，石墨很容易与锂离子有机电解液发生电化学反应，特别是溶剂为碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）。
当锂电池在首次充电过程中（化成阶段），负极的石墨与锂离子电解液发生副反应并于石墨表面生成一层固体电解质界面（SEI）膜，这会造成一部分的不可逆容量产生。
SEI膜能够透过Li+，保证了离子的传输，同时保护了活性物质，防止副反应的进一步发生，维持电池活性物质工作的稳定性。
但是，在电池后续的循环过程中，由于电极材料的不断膨胀与收缩导致新的活性位点暴露出来，这会引起一种连续性的损耗失效机制，即电池的容量不断下降。
这种失效机理可归结于电极表面的电化学还原过程，表现为SEI膜厚度的不断增加。
因此，对SEI膜化学组份及形貌的研究能够更深入的了解锂离子电池容量和功率下降的原因。
近年来，研究者们尝试通过对小型电池体系的拆解实验来研究SEI 膜的性质。
电池的拆解过程需要在无水无氧的惰性气体手套箱中进行（<5 ppm）。
电池拆解后，可以通过核磁共振技术（NMR）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM），原子力显微镜（AFM），X射线吸收光谱（XAF），以及红外（FTIR）和拉曼（Raman）光谱等测试手段研究SEI膜的厚度、形貌、组成、生长过程及机理等。
尽管许多测试手段已被用于表征SEI膜，但是利用更加先进且直接的方式来表征SEI膜在电池中生长的实际模型，仍然是迫切需求的。
(完整)锂离子电池失效模式分析
功能要求潜在的失效模式
潜在的失效后果
极片漏箔
容量低厚度偏厚
电芯直径偏大，难入壳制程水分控制差
极片掉料，低电压导电剂用量少
内阻大，循环性能差，平台低面密度偏大
正负极容量不匹配，循环性能差压实密度大
极片断裂，容量低，低电压极片长
电芯直径偏大，难入壳，负极包不住正极极片短
容量低极片漏箔
存在严重安全隐患厚度偏厚
电芯直径偏大，难入壳制程水分控制差
极片掉料，严重影响循环性能导电剂用量少
内阻大，循环性能差，平台低面密度偏大
造成电解液量相对偏少，影响循环性能面密度偏小
正负极容量不匹配，循环及安全性能差压实密度大
容量低极片长
电芯直径偏大，难入壳极片短
负极包不住正极，存在严重安全隐患负极与正极片错位
负极包不住正极，存在严重安全隐患横向收缩率大
安全可靠性差，热冲击测试爆炸纵向收缩率大
安全可靠性差，热冲击测试爆炸厚度偏厚电芯偏厚，难入壳宽度偏窄
短路爆炸孔隙率偏小
内阻大水含量高
化成时电池内压大，盖帽反转，电池报废；循环型性能差电导率小于9ms/cm 内阻大，平台低过充性能差
过充4.8V 爆炸用量偏少
内阻大，平台低，成品电池循环衰减快滚槽及封口后钢壳变形正负极短路致电池爆炸封口尺寸不到位
密封差钢壳表面残留电解液及水分钢壳生锈
封口处残存电解液
爬液致封口处钢壳严重生锈温度高于25℃
分容容量偏高温度低于25℃分容容量偏低锂离子电池失效模式分析表
外壳用于保护极组，容纳极组和电解液分容负极片匹配正极容量隔膜把正负极搁开，只让锂离子通过
电解液用于承载锂离子，起导电作用正极片保证电池容量。
锂电失效分析报告
锂电失效分析报告概述本文档对锂电池失效的原因和分析方法进行了详细描述，并提供了一些解决方案和预防措施，帮助读者更好地理解和应对锂电池失效问题。
1. 引言随着移动设备的普及和电动车的广泛应用，锂电池已成为一种主要的电源解决方案。
然而，由于各种因素的影响，锂电池的失效问题频繁出现。
本报告旨在通过分析锂电池的失效原因，并提供一些解决方案和预防措施，以帮助读者更好地了解和解决锂电池失效问题。
2. 锂电池失效的原因锂电池失效可能由多种因素造成，下面是一些常见的原因：2.1 过充或过放锂电池在充电或放电过程中，如果超过其设计容量的限制，就会出现过充或过放现象。
过充或过放会导致电池内部材料结构破坏或电化学反应过程异常，从而引起电池失效。
2.2 温度过高高温是锂电池失效的常见原因之一。
高温环境会造成电池内部材料迅速老化、电解液蒸发、电化学反应加剧等问题，最终导致电池容量下降甚至损坏。
2.3 短路短路是指电池正负极之间或正负极与外部导体之间出现低阻的连接。
短路会导致大电流通过电池，引起电池内部材料热失控，甚至引起电池爆炸。
2.4 机械损伤抗震性能较差或容易受到外界物理力的锂电池容易发生机械损伤，如挤压、撞击、弯曲等。
机械损伤会导致电池内部材料断裂、电极短路等问题，使电池失效。
3. 锂电池失效的分析方法如何分析锂电池失效的原因是解决问题的关键。
以下是常见的锂电池失效分析方法：3.1 观察外观通过观察锂电池外观，可以判断是否存在机械损伤、变形、渗漏等问题。
3.2 电性能测试通过对锂电池的电性能参数进行测试，如容量、内阻、充放电效率等，可以判断锂电池的健康状况和是否存在失效问题。
3.3 微观结构分析通过对失效锂电池的微观结构进行分析，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以判断失效原因是否为内部材料破坏、电解液异常等。
3.4 热分析通过热分析仪器对失效锂电池进行热分析，如热失控温度、热失控速率等参数，可以判断是否存在过充、过放、温度过高等问题。
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2019/11/24
Analysis on causes of inner short circuit分析内部短路的原因
Contamination of the metal particles to the cell interior 金属颗粒对电池内部的污染
在飞机起飞期间的发生的严重事故是由于主电池的热失控引起的，致使飞机不得不在高
松机场紧急迫降，人员通过紧急滑梯逃脱。
• Thermal runaway of the main battery is presumed to have started from the heat transmitted by the 6th cell is vented exothermic phenomenon. 据推测，主电池热失控是源于第6节电芯的热失控。
Cause原因
Serious incident (emergency escape)
Thermal runaway (main battery)
Arc discharge Huge current (earth line)
Exothermic phenomenon
Inner short circuit Can not be specified Case of inner short circuit
• By the contact between the brace bar and the cell case expanded by heat generation, large current flows in the battery box by grounding short-circuited through the grounding wire, resulting the arc discharge is generated and it is estimated that was led to thermal runaway. 连接杆和电池壳之间的接触，会因热量的产生而膨胀，且地线短路，大电流通往地线，导 致弧放电的产生，估计是热失控的原因所在。
that high voltage transients may occur when performed at high current. It is believed that it is desirable improved. 检查不同期望设计的开关运行情况更加有效可行，因为在高电流执行时可能也会有高电压瞬变现象 发生。
• It is believed that the exothermic phenomenon 6th cell interior is due to an internal short circuit, but it was not possible to determine its pathogenesis.
第6节电芯内部的放热现象是由于内部短路所致，但仍无法确定其发生机理。
• In this serious incident, the state of equipment of the aircraft can not be simulated properly in the test of the influence of the internal short circuit has been underestimated were involved. 在重大事故中，涉及到被低估的内部短路影响的测试问题在飞机设备的运行状态很难模 拟。
用飞机做实际振动测试时，高电压峰在充用46A充电时，通过检测开关已得到证实。 • Checking the contactor such that it is an operation different from the intended design due to the possibility
• Main battery of aircraft damage, fire does not occur.飞机的主电池损坏，但未 引发着火事故。
Other Incident of same type battery in Boeing 787。同种单元电池发生在波音787上的其它事 故
1. At Boston's Logan International Airport 7th Jan. 2013 (EST), smoke is generated from APU battery of the same type in the tarmac.
• damage situation of the 6th cell 第6节电芯发现损坏 - 3rd cell and the 6th cell welding 损坏发生在第3节电芯与第6节电芯焊接位置 - Large elongated holes in upper side of the cell case, the brace bar has been welded. 电池壳的上方有一个大的拉伸孔，连接杆已被焊接好。
波音公司在测试瞬变现象时，通过检测放电前的开关，证实了高电压峰值的存在。 • In actual validation using aircraft, the transient phenomenon due to the contactor operation check before
discharge was observed. 用飞机做实际的振动测试时，瞬变现象是通过放电前的开关操作来观察检测的。 • From these results, it is considered possible that high voltage peak by transient is also applied in the
Main Battery Overview主电池概观
Main Battery Overview主电池概观
Detail of the damage status 损坏的具体情况
• In the battery box, there was no hole and discoloration due to arc discharge. 在电池壳中，没有发现由于电弧导致的孔和烧伤变色的现象。
deposition of the metal and certain of the origin of the exothermic phenomenon. 由于电芯所有元件都因受热的影响而损坏，所以很难确认金属的沉积物（成分）和某种发热
现象的来源。
2019/11/24
Cause原因
• This serious incident is caused the thermal runaway of the main battery during the Aircraft takeoff climb, was carried out emergency landing with escape taxiway in Takamatsu Airport.
The high voltage peak caused by transient at the discharge time 高电压峰是由于放电的瞬 变现象所致。
• In the test of the Boeing Company, transients considered by checking the contactor before discharge, the appearance of a high voltage peak has been confirmed.
Analysis of LIB Failure in case of Boeing 787 波音787锂离子电池失效分析
Hisaki Tarui Oct, 2014
Ref. Serious Incident Repot from Japan Transport Safety Board
Overview of aviation serious incident飞机重大事故概述
Related factors
Underestimation Affect of inner short circuit
Test at deol of the battery电池的充电控制
Vibration of the charging current 充电电流的波动
incident aircraft. 从这些结果来看，由于瞬变现象产生的高电压峰是有可能导致飞机事故的。
The voltage peak during charging 充电时的电压峰
• In actual validation using the aircraft, high voltage peak has been confirmed by checking the contactor during charging of 46A.
• Vibration of the charging current has been confirmed in the actual testing and verification. 在实际试验和验 证中，充电电流的波动已得到证实。
• It is considered to be an unnecessary vibration, because it affects the battery life, be improved desirable. 振 动试验是多余的，因为其影响的是电池的寿命，可提高电池寿命。
2013年1月7日（美国时间），在波士顿国际机场，飞机在起飞跑道上发现同款电池APU （飞机辅助动力装置）锂离子电池冒烟现象。
2. At Narita International Airport 14th Jan. 2014, the failure message of the BCU and main battery which is the same, was confirmed. The smoke is drifting out of the airplane is displayed.2014年1月14号在成田国际机场，缓冲控制器失效原因得到证实，同样是主电 池出问题，飞机中出现电池冒烟事故。