锂离子电池失效模式分析
锂电池钴酸锂正极材料中的孪晶界引发的裂纹失效
锂电池钴酸锂正极材料中的孪晶界引发的裂纹失效一、引言随着科技的不断进步和人们对高性能电池日益增长的需求，锂离子电池作为一种高效能量存储系统，在电动汽车、便携式电子设备等领域得到了广泛应用。
钴酸锂（LiCoO₂）由于其高能量密度、稳定的电压平台和良好的循环性能，成为商业锂离子电池中最常用的正极材料之一。
然而，在实际应用中，钴酸锂正极材料往往面临着裂纹失效的问题，这种失效模式与材料内部的孪晶界有着密切的关系。
二、钴酸锂正极材料的基本结构与性质钴酸锂具有层状结构，属于α-NaFeO₂型层状岩盐结构。
在这种结构中，氧离子以立方密堆积的方式排列，锂离子和钴离子交替占据氧离子八面体空隙位置。
这种层状结构为锂离子的嵌入和脱出提供了二维通道，使得钴酸锂具有较高的锂离子扩散系数和良好的电化学性能。
然而，钴酸锂正极材料在制备过程中容易形成孪晶界。
孪晶界是指两个晶体部分以特定的取向关系相互连接而形成的界面。
在钴酸锂中，孪晶界通常是由于材料生长过程中的应力释放或晶格错配而产生的。
这些孪晶界对材料的力学性能和电化学性能有着重要的影响。
三、孪晶界对钴酸锂正极材料裂纹失效的影响1. 孪晶界作为裂纹萌生源孪晶界由于其特殊的结构和能量状态，往往成为裂纹萌生的优先位置。
在充放电过程中，由于锂离子在正极材料中的嵌入和脱出，会引起材料体积的变化，从而在孪晶界处产生应力集中。
当应力超过材料的承受极限时，裂纹就会在孪晶界处萌生并扩展，导致材料的失效。
2. 孪晶界对裂纹扩展的影响孪晶界不仅作为裂纹萌生的源头，还会影响裂纹的扩展路径和速率。
由于孪晶界两侧晶体的取向不同，裂纹在扩展过程中会遇到不同的阻力。
这使得裂纹在孪晶界处的扩展行为变得复杂且难以预测。
在一些情况下，孪晶界可能会阻碍裂纹的扩展，从而提高材料的断裂韧性；而在另一些情况下，孪晶界可能会促进裂纹的扩展，加速材料的失效过程。
四、改善钴酸锂正极材料裂纹失效的策略1. 优化制备工艺通过优化制备工艺，如控制烧结温度、气氛和时间等参数，可以减少钴酸锂正极材料中的孪晶界数量。
高电压钴酸锂的失效分析与改性研究
高电压钴酸锂的失效分析与改性研究一、本文概述随着新能源科技的飞速发展，锂离子电池作为一种高效、环保的能源存储系统，在便携式电子产品、电动汽车、航空航天等领域的应用日益广泛。
其中，高电压钴酸锂（LiCoO₂）因其具有较高的能量密度、良好的循环稳定性和较高的工作电压等优点，被广泛用作锂离子电池的正极材料。
然而，随着电池充放电次数的增加，高电压钴酸锂材料的性能会逐渐衰退，导致电池容量的降低和电池安全性的下降，严重制约了其在实际应用中的寿命和性能。
因此，对高电压钴酸锂的失效机制进行深入分析，并探索有效的改性方法，对于提高锂离子电池的性能和安全性具有重要意义。
本文旨在系统研究高电压钴酸锂的失效机制，通过对其在充放电过程中的结构变化、电化学性能和失效模式的分析，揭示其失效的根源。
在此基础上，通过材料设计、合成工艺优化和表面改性等手段，探索提高高电压钴酸锂材料稳定性和性能的有效方法。
本文的研究将为高电压钴酸锂在实际应用中的性能提升和安全性保障提供理论依据和技术支持，对于推动锂离子电池技术的发展具有重要的理论价值和实际应用意义。
二、高电压钴酸锂的失效分析高电压钴酸锂（LiCoO₂）作为一种重要的锂离子电池正极材料，因其高能量密度和良好的电化学性能而被广泛应用。
然而，在高电压工作条件下，钴酸锂材料往往面临失效问题，这直接影响了电池的循环稳定性和安全性。
因此，对高电压钴酸锂的失效机制进行深入分析，是改进其性能的关键。
在高电压环境下，钴酸锂的失效主要表现为结构不稳定、容量衰减和安全性问题。
结构不稳定主要是由于锂离子在充放电过程中的嵌入和脱出，导致材料晶体结构的破坏。
这种结构变化进而引发容量衰减，表现为电池容量的逐渐降低。
高电压下钴酸锂材料还面临氧气释放的风险，这可能导致电池内部短路，严重影响电池的安全性。
针对这些问题，研究者们提出了多种改性方法。
其中，表面包覆和离子掺杂是两种常用的改性手段。
表面包覆通过在钴酸锂颗粒表面引入一层保护层，防止了其与电解液的直接接触，从而减少了结构破坏和氧气释放的风险。
纽扣型锂电池失效研究资料
纽扣型锂电池失效研究纽扣型锂电池失效研究【摘要】文章简要介绍了锂电池的基本失效模型，锂电池的速率容量效应。
探讨了纽扣型锂电池的内部自放电机理，从产品制造工艺过程的角度分析了可能产生内部失效的原因。
【关键词】锂电池;速率容量效应;自放电;隔膜刺穿;点焊锂离子电池失效模式主要有：容量衰减，泄气或漏液，集流体腐蚀，热失控等。
其中容量衰减是最常见的失效模式，导致这一失效产生的因素很多：在电极方面，反复充放电使电极活性表面积减少，电流密度提高，极化增大;在电解质溶液方面，电解液或导电盐分解导致其电导率下降，分解物造成界面钝化。
此外，隔膜阻塞或损坏，电池内部短路等也会缩短电池的寿命。
1.锂电池失效模型目前的研究认为温度和工作电流是加速锂离子电池容量衰减的两个重要应力，并有试验验证了失效的模型。
在相同温度条件下，锂离子电池的寿命与放电电流的关系基本遵从电应力为加速变量的加速模型：（1）式（1）即为锂离子电池的基本失效模型，在双对数坐标系上，锂离子电池失效与放电电流也为线性关系。
2.锂电池的速率容量效应锂电池具有速率容量效应，指的是电池实际容量会随着负载的不同而不同，负载越大，电池的容量越小。
其原理是，电池的寿命很大程度上取决于负极上可反应区域的状态。
在小电流稳定放电的情况下，反应区均匀地分布在负极上，能够被充分应用;但当某些时候，电池有大电流放电时，负极表面的反应区与被不均匀覆盖，导致有些内层的活性点位无法参与反应，这会导致电池在高放电率下快速失去电量。
3.锂电池的自放电锂电池内部的自放电也会导致电池容量的不可逆损失，其原因有可能是因为电池内部发生了一系列不可逆反应。
阳极与电解液发生的不可逆反应（相对主要发生于锰酸锂、镍酸锂这两种易发生结构缺陷的材料，例如锰酸锂阳极与电解液中锂离子的反应）。
阴极材料与电解液发生的不可逆反应（化成时形成的SEI膜就是为了保护负极不受电解液的腐蚀）。
电解液自身所带杂质引起的不可逆反应，以及溶剂中O2发生的反应。
锂电池负极材料的失效机制分析
锂电池负极材料的失效机制分析最常⽤的锂离⼦电池负极材料主要包括天然/⼈造⽯墨、中间相炭微球（MCMB）、钛酸锂、硅基负极、硬碳材料/软碳材料（HC/SC）、⾦属锂等，其微观形貌、晶体结构和组成成分对锂离⼦电池性能有较⼤影响。
理想的锂离⼦电池负极材料应具备以下特征：①Li+在负极材料基体中插⼊的氧化还原电位应尽可能低，接近⾦属锂的沉积电位，从⽽使电池的输⼊电压⾼。
②负极应⽐正极具有更⼤的⼏何尺⼨，以防⽌在负极末端边缘沉积锂。
③负极材料应具有良好的表⾯结构，并在整个电压范围内具有较好的化学稳定性，能够与液体电解质形成良好的SEI 膜，且形成的 SEI 膜不易与电解质等发⽣反应。
④具有较⾼的电⼦电导率和离⼦电导率，以减少极化并能进⾏⼤电流充放电。
⑤具有⾼的电极表⾯积，缩短Li+在⽯墨颗粒之间的扩散路径，有助于快速充放电和提⾼电池容量。
然⽽，当负极材料采⽤BET（Brunauer、Emmett 和Teller）⽅法制备时，减⼩活性物质粒径会增⼤⽐表⾯积，从⽽导致不可逆容量损失增⼤。
在锂离⼦电池循环充放电过程中，负极材料失效主要由活性物质失效和界⾯反应失效等多种失效机制造成。
负极材料失效或⽼化后，⽯墨颗粒发⽣破裂及粉化，致使Li+的扩散阻⼒增加，导致倍率性能较差，⽽快速充电时Li+则易在⽯墨表⾯沉积形成锂枝晶，进⽽引发严重的安全隐患。
本节以负极材料的两种失效机制为切⼊点，详细阐明和分析锂离⼦电池负极材料失效机制，同时也为缓解负极材料失效提供⼀些改善措施。
1. 活性物质失效以⽯墨为负极的锂离⼦电池，在Li+嵌⼊和脱出过程中，⽯墨体积效应变化不明显（视材料⽽定，通常在10%或更⼩），所以Li+脱嵌对其可逆性影响较⼩。
然⽽，⽯墨晶体结构的变化会产⽣缺陷和机械应⼒，在缺陷和应⼒集中的条件下，可能会破坏晶体结构或形成微裂纹。
随着⽯墨与电解液之间界⾯反应的发⽣，在⽯墨中会形成溶剂共插层，导致⽯墨层出现破裂和脱落；沿着⽯墨破裂形成的裂纹，电解液在⽯墨内部继续反应，进⽽导致⽯墨结构快速崩塌。
锂离子电池失效机理
锂离子电池失效机理
锂离子电池的失效机理主要包括容量衰减。
容量衰减进一步分为可逆容量衰减和不可逆容量衰减。
可逆容量衰减是由于电池充放电制度异常或电池使用环境不佳导致的，这类衰减可以通过调整电池充放电制度和改善电池使用环境等措施使丢失的容量恢复。
不可逆容量衰减则是由于电池内部发生了不可逆的改变，产生了不可恢复的容量损失。
这种损失通常与电池制作工艺、电池使用环境等客观因素有紧密联系。
从材料角度看，造成失效的原因主要有正极材料的结构失效、负极表面SEI过渡生长、电解液分解与变质、集流体腐蚀、体系微量杂质等。
此外，锂电池的失效分析分为两个方向：
基于锂电池失效的诊断分析，以失效为出发点，追溯到电池材料的失效机理，以达到分析失效原因的目的。
基于累积失效原因数据库的机理探索分析，以设计材料的失效点为出发点，探究锂电池失效发生过程的各类影响因素，以达到预防为主的目的。
以上分析仅供参考，如需更专业的信息，建议咨询电池行业或材料科学领域的专家。
锂电池高压失效机理
锂电池高压失效机理锂电池因其高能量密度、长寿命等优点在电动汽车、电子设备等领域得到广泛应用。
然而，锂电池在高压环境下运行时，其失效机理与常规电池有所不同。
本文将重点介绍锂电池高压失效的两种主要机理：正极材料结构破坏和电解质分解。
1.正极材料结构破坏在高压环境下，正极材料结构容易发生破坏。
这主要是由于以下原因：(1)晶体结构变化：随着电压的升高，正极材料中的晶体结构可能发生转变，导致材料出现裂纹或破碎。
(2)氧化还原反应：在高压作用下，正极材料可能发生氧化还原反应，导致结构中元素的价态发生变化，进而破坏材料的稳定性。
(3)电解质的腐蚀：某些电解质可能在高压下对正极材料产生腐蚀作用，导致材料结构破坏。
正极材料结构破坏将导致电池性能下降，如容量下降、内阻增大等。
长时间高压运行可能导致电池内部短路、发热甚至爆炸等安全问题。
2.电解质分解在高压环境下，电解质可能发生分解反应，导致电池性能下降。
电解质分解的原因主要包括：(1)氧化还原反应：在高压作用下，电解质中的某些成分可能发生氧化还原反应，导致电解质分解。
(2)热稳定性：某些电解质在高温下可能发生热分解，导致电解质失效。
(3)化学腐蚀：某些金属离子可能在高压下与电解质发生化学腐蚀反应，导致电解质分解。
电解质分解将导致电池内部短路、电池鼓胀甚至爆炸等安全问题。
同时，分解产物的积累也可能导致电池性能下降，如容量下降、内阻增大等。
3.其他失效模式除上述两种主要失效机理外，锂电池在高压环境下还存在其他失效模式：(1)热扩散：在高温环境下，电池内部热量不易散出，可能导致电池内部温度不均，进而引发热扩散现象。
热扩散可能导致电池内部短路、电池鼓胀甚至爆炸等安全问题。
(2)爆炸：在某些极端情况下，如电池内部短路、外部短路、过充等情况下，锂电池可能发生爆炸。
爆炸可能对人员和设备造成严重伤害和损失。
4.防范措施为提高锂电池的高压运行性能和安全性，可采取以下防范措施：(1)优化正极材料：选择具有良好高压性能的正极材料，如使用橄榄石结构或富锂材料的正极材料。
锂离子电池的故障模式机理与影响分析
锂离子电池的故障模式机理与影响分析锂离子电池安全问题然而，在给人们的生活、生产带来便利的同时，层出不穷的锂离子电池安全问题也成为了人们十分关心的焦点。
例如2016年9月三星Galaxy Note 7电池爆炸事件，这使得多国航空主管部门、以及各航空公司对三星Galaxy Note 7下达飞行禁令后，三星紧急召回250万部手机，带来了极其负面的社会影响（图1（a））；图1. (a) 电池爆炸后的三星Galaxy Note 7。
2013年7月，希思罗机场埃塞俄比亚航空波音787因飞机内锂电池短路而起火，造成飞机后部机身大面积烧毁；同年8月，特斯拉在法国比亚里茨对Model S和Model X两款电动汽车进行推广的试驾活动中，一辆Model S90D出现电池自燃，事后车辆完全被毁（图2（b））。
图2. (b) 起火的特斯拉Model S90D。
这些事件都说明了由锂离子电池失效所造成的损失是非常巨大而沉重的，因此，锂离子电池的使用安全性及可靠性是极其重要的。
对锂离子电池进行故障模式机理与影响分析(FMMEA)能够提供一个严格的构架来定义什么样的锂离子电池是不合格的，如何去检测，怎样的过程可能会引起电池的失效，同时，提供锂离子电池的失效模式及预防措施。
通过各个方面改进、预防、保护来保证锂离子电池的可靠性及安全性。
锂离子电池结构从锂离子电池结构来说，主要分为以下五个部分组成，如图3所示：（1）正极材料：电极电势较高、结构稳定的具有嵌锂能力的层状或尖晶石结构的过渡金属氧化物或聚阴离子型化合物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。
（2）负极材料：电位接近锂电位、结构稳定的并可大量储锂的层状石墨、金属单质及金属氧化物，如石墨、中间相碳微球、钛酸锂等。
（3）电解液：溶有电解质锂盐的有机溶剂，提供锂离子，电解质锂盐有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有机溶剂主要由碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲酯（DMC）等其中的一种或几种混合组成。
锂离子电池组的故障模式影响及危害性分析
1 锂离子电池组的故障模式、影响及危害性分析1.1 电池组系统定义1.1.1 约定层次的划分锂离子电池组系统分为：航行推进动力单元、电子设备动力单元、应急电源、电池组检测板和模块监测板，其中应急电源由锂/亚硫酰氯单体电池组成。
航行推进动力单元由6个51F301模块串联组成，电子设备动力单元由2个51F302模块并联组成，应急电源由1个5103模块组成。
51F3功能层次关系的对应关系见图5-1和结构层次关系见图5-2。
依据锂离子电池组系统结构层次关系图，锂离子电池组约定层次的划分见表5-1。
表5-1 电池组约定层次的划分1.1.2 约定层次的任务功能和工作方式初始约定层锂离子电池组的任务功能是给推进系统提供能源，使主载体完成预定的各项任务。
航行推进动力单元通过放电的方式给推进系统提供33.2kWh的功率容量，电子设备单元通过放电的方式给控制和导航系统提供4.74kWh的功率容量。
电池组检测板完成检测航行推进动力单元、电子设备动力单元的总电压和总电流、过流保护的功能，模块监测板完成对单体电池的电压、温度的检测。
第二约定层次51F301模块、51F302模块、5103模块的任务功能是输出能源，通过放电的方式完成初始约定层次对其要求的输出功率容量。
51F301模块需要输出5.54KWh，51F302模块需要输出2.37KWh，5103模块需要输出630Wh。
最低约定层次单体电池任务功能是输出能源，通过放电的方式完成第二约定层次对其要求的输出功率容量，单体电池需要输出0.369KWh。
最低约定层次串联二极管任务功能是单向导通和反向截止作用；最低约定层次焊点任务功能是焊接和导电。
最低约定层次传感器任务功能是测量各个单体电池的温度、电压及其支路的总电压、总电流。
1.1.3 环境剖面和工作时间锂离子电池组的环境剖面分析和对其环境条件预计，必须基于电池组的寿命剖面分析和任务剖面分析。
电池组的寿命剖面见图5-3。
勤务保障阶段图5-3 锂电池组的寿命剖面时间锂电池组的任务剖面见图5-4。
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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