物理微短路引發的--鋰動力電池產生自放電

鋰動力電池產生自放電的主要原因是由於電極在電解液中處於熱力學的不穩定狀態,鋰即動力電池的兩個電極各自發生氧化還原反應的結果。在鋰動力電池的兩個電極中,負極的自放電是主要的,自放電的發生使活性物質被消耗,轉變成不能利用的熱能。

鋰動力電池自放電速率的大小是由動力學的因素決定的,主要取決於電極材料的本性、表面狀態、電解液的組成和濃度、雜質含量等,也取決與擱置的環境條件,如溫度和溼度等因素。

物理微短路引發的--鋰動力電池產生自放電

物理微短路是造成鋰動力電池端電壓下降的直接原因,其直接表現是鋰動力電池在常溫、高溫儲存一段時間後,鋰動力電池電壓低於正常截止電壓。與化學反應引起自放電相比,物理微短路引起的自放電是不會造成鋰動力電池容量不可逆損失的。

透過觀察和測量拆開的鋰動力電池隔膜上黑點的數量、形貌、大小、元素成分等,來判斷鋰動力電池物理自放電的大小及其可能的原因:一般情況下,物理自放電越大,黑點的數量越多,形貌越深(特別是會穿透到隔膜另一面);依據黑點的金屬元素成分判斷鋰動力電池中可能含有的金屬雜質。引起物理微短路的原因很多,分為如下幾種:

物理微短路引發的--鋰動力電池產生自放電

1)粉塵。將微短路的鋰動力電池拆開,可發現鋰動力電池的隔膜上會出現黑點。如果黑點的位置處於隔膜中間,大機率是因粉塵擊穿的。鋰動力電池在生產製造過程中,不可避免的混入一些灰塵雜質,這些雜質屬性複雜,有些雜質可以造成正負極的輕微導通,使得電荷中和,電量受損。

鋰動力電在製成時,雜質造成的微短路所引起的不可逆反應,是造成個別鋰動力電池自放電偏大的最主要原因。空氣中的粉塵或者製成時極片、隔膜沾上的金屬粉末都會造成內部微短路。生產時絕對的無塵是做不到的,當粉塵不足以達到刺穿隔膜進而使正負極短路接觸時,其對鋰動力電池的影響並不大。

物理微短路引發的--鋰動力電池產生自放電

但是當粉塵嚴重到刺穿隔膜這個“度”時,對鋰動力電的影響就會非常明顯。由於有是否刺穿隔膜這個“度”的存在,因此在測試大批鋰動力電自放電率時,經常會發現大部分鋰動力電的自放電率都集中在一個不大的範圍內,而只有小部分鋰動力電的自放電明顯偏高且分佈離散,這些應該就是隔膜被刺穿的鋰動力電。

2)毛刺。將微短路的鋰動力電池拆開,當發現鋰動力電池的隔膜上出現的黑點處於邊緣位置佔多數,便是極片分切過程中產生的毛刺引起的。在鋰動力電池電芯生命初期,只表現為自放電較高,而時間越長,其造成正負極大規模短路的可能性越大,是鋰動力電池熱失控的一個重要成因。

3)正極金屬雜質。正極的金屬雜質經過充電反應後,也是擊穿隔膜,在隔膜上形成黑點,造成了物理微短路的原因。一般來說,只要是金屬雜質,都會對鋰動力電池自放電產生較大影響,一般是金屬單質影響最大。據部分文獻所述,影響排序如:Cu>Zn>Fe>Fe2O3。比如很多正極鐵鋰材料就會面臨自放電過大的問題,也就是鐵雜質超標引起的。

物理微短路引發的--鋰動力電池產生自放電

4)負極金屬雜質。由於原電池的形成,負極金屬雜質會遊離出來,在隔膜處沉積而造成隔膜導通,形成物理微短路,某些低端的負極材料經常會遇見這樣的情況。負極漿料中的金屬雜質對自放電的影響力不及正極中的金屬雜質,其中Cu、Zn對自放電影響較大。

5)輔材的金屬雜質。例如CMC、膠帶中的金屬雜質。隨著時間的增加,金屬雜質引發的金屬枝晶在不斷生長,最後穿透隔膜,導致正負極的微短路,不斷消耗電量,導致鋰動力電池端電壓降低。

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