鋰離子電池失效表現(xiàn)及失效機(jī)理

在當(dāng)今科技主導(dǎo)的時代，鋰離子電池憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)勢，成為各類便攜式電子設(shè)備、電動汽車以及儲能系統(tǒng)的核心動力源。然而，隨著使用時間的推移和充放電循環(huán)次數(shù)的增加，鋰離子電池不可避免地會出現(xiàn)失效現(xiàn)象，這不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能對使用安全構(gòu)成威脅。深入探究鋰離子電池的失效表現(xiàn)及失效機(jī)理，對于延長電池使用壽命、提升電池性能以及推動電池技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。

鋰離子電池的失效表現(xiàn)

容量衰減

容量衰減是鋰離子電池失效最為直觀的表現(xiàn)。隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，電池能夠存儲和釋放的電荷量逐漸減少，導(dǎo)致設(shè)備的續(xù)航能力明顯下降。在智能手機(jī)中，新電池在充滿電后可能支持一整天的正常使用，但經(jīng)過數(shù)百次充放電循環(huán)后，電量可能在半天甚至更短時間內(nèi)就耗盡。這種容量衰減是一個漸進(jìn)的過程，初期可能不太明顯，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，衰減速度會逐漸加快。研究表明，當(dāng)鋰離子電池的容量衰減至初始容量的 80% 左右時，其性能已嚴(yán)重下降，難以滿足設(shè)備的正常使用需求。

內(nèi)阻增加

內(nèi)阻增加也是鋰離子電池失效的重要特征。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜以及電池的連接件等的電阻組成，極化內(nèi)阻則是由于電池在充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)引起的。隨著電池使用時間的增長，內(nèi)阻會逐漸增大。內(nèi)阻增加會導(dǎo)致電池在充放電過程中的能量損耗增加，表現(xiàn)為充電時電池發(fā)熱嚴(yán)重，放電時電池輸出電壓降低。在電動汽車中，電池內(nèi)阻的增加會使車輛的動力性能下降，加速變慢，同時續(xù)航里程也會進(jìn)一步縮短。

電壓異常

鋰離子電池在正常工作時，其電壓會隨著充放電過程呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律。但當(dāng)電池失效時，電壓會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。在充電過程中，電池電壓可能無法達(dá)到正常的截止電壓，或者在達(dá)到截止電壓后迅速下降;在放電過程中，電池電壓可能會過早地降至截止電壓以下，導(dǎo)致設(shè)備提前關(guān)機(jī)。在一些儲能系統(tǒng)中，若鋰離子電池出現(xiàn)電壓異常，可能會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至引發(fā)故障。

鋰離子電池的失效機(jī)理

電極材料老化

鋰離子電池的電極材料在充放電過程中會發(fā)生結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的變化，這是導(dǎo)致電池失效的主要原因之一。在正極材料方面，如常見的鈷酸鋰(LiCoO?)、磷酸鐵鋰(LiFePO?)等，隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，正極材料的晶體結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生坍塌、相變等現(xiàn)象，導(dǎo)致鋰離子的嵌入和脫出變得困難，從而降低電池容量。在負(fù)極材料方面，以石墨為例，長期的充放電過程會使石墨的層狀結(jié)構(gòu)受到破壞，鋰離子在石墨層間的存儲能力下降，同時負(fù)極表面可能會形成一層不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面(SEI)膜，進(jìn)一步增加電池內(nèi)阻，影響電池性能。

副反應(yīng)發(fā)生

在鋰離子電池內(nèi)部，存在著多種副反應(yīng)，這些副反應(yīng)會消耗電池中的活性物質(zhì)和電解液，導(dǎo)致電池失效。在充電過程中，當(dāng)電池電壓過高時，電解液可能會發(fā)生氧化分解反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，如氧氣、二氧化碳等，這些氣體會在電池內(nèi)部積聚，增加電池內(nèi)部壓力，甚至可能導(dǎo)致電池鼓包、爆炸。負(fù)極表面的 SEI 膜在電池充放電過程中也會不斷發(fā)生變化，若 SEI 膜不穩(wěn)定，會持續(xù)消耗鋰離子和電解液，降低電池的庫倫效率，加速電池容量衰減。

電池結(jié)構(gòu)變化

隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。電極材料顆粒之間的接觸電阻可能會增大，導(dǎo)致電子傳輸不暢;電解液在電池內(nèi)部的分布可能會變得不均勻，影響離子傳輸效率。在電池長期使用過程中，電極可能會出現(xiàn)膨脹、收縮等現(xiàn)象，這會導(dǎo)致電極與隔膜之間的接觸變差，甚至可能造成隔膜破損，引發(fā)電池內(nèi)部短路，嚴(yán)重影響電池的安全性和使用壽命。

溫度影響

溫度對鋰離子電池的性能和壽命有著顯著影響。在高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率加快，副反應(yīng)更加劇烈，導(dǎo)致電池容量衰減加速，內(nèi)阻增大。高溫還會使電解液的揮發(fā)加快，降低電解液的濃度，影響離子傳輸。在低溫環(huán)境下，電解液的黏度增加，鋰離子在電解液中的擴(kuò)散速度變慢，電池的充放電性能受到嚴(yán)重影響，電池容量也會大幅下降。長期在極端溫度環(huán)境下使用鋰離子電池，會加速電池的失效進(jìn)程。

鋰離子電池的失效表現(xiàn)包括容量衰減、內(nèi)阻增加和電壓異常等，而失效機(jī)理則涉及電極材料老化、副反應(yīng)發(fā)生、電池結(jié)構(gòu)變化以及溫度影響等多個方面。為了提高鋰離子電池的性能和使用壽命，需要從電池材料研發(fā)、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池管理系統(tǒng)優(yōu)化等多方面入手，采取有效的措施抑制電池失效。在未來，隨著對鋰離子電池失效機(jī)理研究的不斷深入，有望開發(fā)出更加先進(jìn)、可靠的鋰離子電池技術(shù)，滿足日益增長的能源需求，推動電子設(shè)備、電動汽車等行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。