鋰離子電池在現(xiàn)代應(yīng)用中很受歡迎，但許多用戶都經(jīng)歷過鋰離子電池故障。本文的重點(diǎn)是解釋困擾鋰離子電池的故障。

數(shù)百萬人依賴鋰離子電池。鋰離子存在于手機(jī)、筆記本電腦、混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中。該技術(shù)由于其高能量密度、充電能力和輕量化特性而面臨極端增長。

電壓效應(yīng)

鋰離子電池可能會(huì)受到過壓和欠壓效應(yīng)。如圖1所示，電池的工作電壓和溫度必須保持在用綠色框標(biāo)記的點(diǎn)。否則，細(xì)胞可能會(huì)損壞。

圖1. 鋰離子電池的操作窗口。圖片由Simon Mugo提供

電壓

過壓是指鋰離子電池單元的充電電壓增加到超過預(yù)定上限（通常為4.2 V）時(shí)。流入鋰離子電池的電流過大會(huì)導(dǎo)致過熱和鍍鋰，從而導(dǎo)致電池故障。

當(dāng)電流過大時(shí)，過多的焦耳會(huì)引發(fā)更多的熱量進(jìn)入電池，導(dǎo)致過熱。過熱導(dǎo)致電池溫度升高，從而導(dǎo)致故障。

過大的電流會(huì)阻止鋰離子在碳制成的陽極插層之間的快速調(diào)節(jié)。相反，鋰離子積聚在陽極表面上并以金屬鋰的形式沉積。這導(dǎo)致鋰離子減少，電池容量顯著損失，并進(jìn)一步引發(fā)電池結(jié)構(gòu)內(nèi)的短路。

由于電池元件內(nèi)發(fā)生的不均勻性，低溫也會(huì)導(dǎo)致鍍鋰，這是由于電池的制造缺陷或誤用造成的。

過放電/欠壓

過放電是指電壓從電池單元排出到兩伏以下。欠壓是一種源于長時(shí)間不使用電池直到電壓低于每節(jié)電池 2 V 的情況。這兩個(gè)條件導(dǎo)致陽極和陰極破裂。

陽極集流體溶解到電池電解液中，導(dǎo)致電池單元自放電率上升，同時(shí)試圖將電池單元增加到2 V以上。溶解在電解質(zhì)中的銅離子是電池短路的危險(xiǎn)成分。

在低于 2 V 的電池長時(shí)間存儲(chǔ)也會(huì)導(dǎo)致陰極腐蝕，在鋰錳氧化物和鈷酸鋰陰極中產(chǎn)生長時(shí)間氧氣后最終會(huì)分解，從而導(dǎo)致電池容量永久損失。

收費(fèi)狀態(tài)

為了克服過充電、充電不足和過度放電的問題，電池單元應(yīng)處于充電狀態(tài)。鋰離子電池的推薦充電狀態(tài)如圖2所示。

圖2.電池的充電狀態(tài)。圖片由Simon Mugo提供

如果鋰離子電池在圖2所列條件之外運(yùn)行，則電池壽命會(huì)縮短。

溫度影響

熱量已被歸類為主要的電池壽命降低劑之一。超過或低于所需的最低限制都是電池殺手。因此，鋰離子電池應(yīng)經(jīng)受完善的溫度控制機(jī)制。

在低溫下運(yùn)行

隨著溫度的下降，化學(xué)反應(yīng)速率降低是正常的。降低工作溫度會(huì)降低細(xì)胞活性化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的速度。其結(jié)果是降低了充電和放電過程的載流能力。簡單來說，電池的功率處理能力會(huì)降低。低溫的另一個(gè)影響是減慢鋰離子插入電池插層空間的速度。由于鋰鍍層和功率降低，這會(huì)導(dǎo)致不可逆的電池容量損失。

高溫下運(yùn)行

將電池單元置于高溫下會(huì)帶來另一組與低溫引起的問題不同的問題。在如此高的溫度下，一種稱為阿倫尼烏斯效應(yīng)的情況通過增加電池內(nèi)的反應(yīng)速率從電池中消耗更高的功率。此外，較高的電流會(huì)引發(fā)高熱量的產(chǎn)生和散發(fā)。

熱失控

熱失控積聚會(huì)發(fā)生幾個(gè)階段，導(dǎo)致電池單元損壞。

第 1 階段：薄鈍化 SIE 層擊穿

位于陽極上的該層的分解是由于電池的物理滲透或過熱而發(fā)生的。最初，過熱可能源于電流過剩、極端環(huán)境溫度和電池過度充電。SEI層的分裂發(fā)生在約75°C的極低溫度下。 該層的分解導(dǎo)致電解質(zhì)和陽極的反應(yīng)類似于形成過程中發(fā)生的情況，但這以高速率和不受控制的方式發(fā)生。

第 2 階段：有機(jī)溶劑分解

隨著溫度的不斷升高，陽極反應(yīng)不斷產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池電解質(zhì)中使用的有機(jī)溶劑分解，產(chǎn)生易燃碳?xì)浠衔餁怏w。當(dāng)電池溫度達(dá)到 110°C 時(shí)，就會(huì)發(fā)生該階段。 產(chǎn)生的氣體在電池單元內(nèi)產(chǎn)生壓力積聚。幸運(yùn)的是，產(chǎn)生的氣體不含氧氣，不能燃燒。大多數(shù)電池都設(shè)計(jì)有排氣孔，將這些氣體釋放到大氣中，調(diào)節(jié)這種壓力并消除電池破裂的可能性。

第 3 階段：聚合物隔膜的熔化

當(dāng)電池溫度達(dá)到 135°C 時(shí)，就會(huì)發(fā)生此階段。 在這里，聚合物隔板熔化并在電極之間引入短路。

第 4 階段：金屬氧化物陰極擊穿

金屬氧化物陰極擊穿是由電解擊穿過程中產(chǎn)生的熱量引起的。在這個(gè)階段，金屬氧化物陰極的材料釋放氧氣，觸發(fā)電池電解液和電池中其他易燃?xì)怏w的燃燒。陰極擊穿過程也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，增加電池的壓力和溫度。對(duì)于由鈷酸鋰制成的電池，陰極擊穿過程發(fā)生在200°C左右，但如果涉及其他化學(xué)物質(zhì)，溫度可能會(huì)更高。

不均勻效應(yīng)

陽極和隔板表面之間發(fā)生的局部缺陷引起的電流不均勻流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致鍍鋰效應(yīng)。以下是一些缺陷的示例。

制造缺陷

一些制造缺陷包括：

局部電解液干燥

機(jī)械部件變形

陽極涂層不均勻

分離器孔變形或堵塞

集流體分層

活性化學(xué)污染

電池單元中發(fā)生的一些濫用缺陷包括：

銅沉積，由于電池充電時(shí)間過長而發(fā)生的影響

物理電池?fù)p壞

循環(huán)壽命

圖3. 細(xì)胞循環(huán)壽命和溫度圖。圖片由Simon Mugo提供

溫度和電壓故障對(duì)電池單元的影響往往是立竿見影的，但它對(duì)循環(huán)壽命的影響要小得多。建議在操作窗口外操作電池，導(dǎo)致電池失去不可逆的容量。

圖3表明，從15°C循環(huán)開始，在低溫下工作時(shí)壽命逐漸縮短。當(dāng)工作溫度高于50°C時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短，但在70°C時(shí)，螺紋會(huì)變?yōu)闊崾Э亍ｋ姵貞?yīng)具有熱管理系統(tǒng)，以保持電池每時(shí)每刻在設(shè)定的最佳位置運(yùn)行，從而減少電池單元的磨損。

鋰離子電池故障的要點(diǎn)

鋰離子電池單元故障可能源于電壓、溫度、不均勻性效應(yīng)等。

過壓或欠壓效應(yīng)可能會(huì)發(fā)生電壓效應(yīng)。

當(dāng)電池的充電電壓增加超過每節(jié)電池4.2 V的預(yù)定上限時(shí)，就會(huì)發(fā)生過壓效應(yīng)。

過壓導(dǎo)致向電池提供更多電流，從而引發(fā)過熱和鍍鋰。

當(dāng)電池由于長時(shí)間存放而未充電而降至 2.0 V 的最低預(yù)期電壓以下時(shí)，就會(huì)發(fā)生欠壓，從而影響電池的陽極和陰極。

溫度效應(yīng)會(huì)在低溫或高溫下?lián)p害電池。

高溫會(huì)導(dǎo)致高散熱和產(chǎn)生，這對(duì)電池的電芯不利。

熱失控是對(duì)電池單元的另一種溫度影響，其積聚會(huì)損壞電池單元。

由于制造和電池濫用缺陷而發(fā)生不均勻性缺陷。