第十二章：锂离子电池的失效模式

在我们开始讨论可能进行的实际测试类型之前，也许在这一点上简要讨论锂离子电池可能失效的方式是有价值的。我们一般可以将失效模式分为两种不同的类型：内部失效模式和外部失效模式。

内部失效模式可能是由制造缺陷引起的，比如制造碎片进入果冻卷内部。另一种可能发生的内部故障是内阻增加，这通常可能发生在电池寿命即将结束时。当电池在其安全区外运行或由于控制或热系统的故障时，可能会发生外部故障模式。最坏的外部故障模式发生在车辆碰撞或一个或多个电池进入热失控时。

过去20年发生的最大的锂离子电池召回事件之一，至少在一定程度上是由内部失效模式造成的。21世纪初，由于存在起火风险，索尼召回了数十万块用于笔记本电脑的锂离子电池。虽然这些电池的故障可能有多种潜在原因，但其中一项被确定为制造过程中的缺陷，当时18650型电池的盖子被卷曲到位。经过调查发现，在压接过程中，罐头上的镀镍层被损坏并脱落了微小的颗粒。这导致材料进入水母，并最终与内部短路（索尼，2006年）。随后，索尼和许多其他制造商改变了他们的组装工艺，从卷曲转向激光焊接盖子。

另一种更常见的内部失效模式是电池内阻的增加。通过测量内部阻抗（电阻）增长的速率，就可以确定电池的寿命。然而，这并不像听起来那么简单。内部阻抗本质上是测量阳极上固体电解质间相（SEI）层的生长。随着电池循环，随着时间的推移，锂离子倾向于被困在SEI层中。随着越来越多的锂离子被困在SEI层中，自由锂离子更难通过阴极（Voelker,2014）。

其他内部失效模式可能包括电解液的化学分解，这可能包括在电池内产生气体。这种情况通常发生在锂离子电池在较高温度下使用时。事实上，为了防止电池过早进入热失控状态，许多电池制造商在电解液中加入了特殊的添加剂。在一定温度下，这些添加剂一般会在电池内部开始产生气体。

分离器也可能在高温下开始分解，这取决于分离器的类型，这会导致锂离子的流动减慢，并最终随着分离器中的“孔隙”融化或堵塞而停止。同样，这种情况往往发生在高温下，实际上是为了防止热失控事件的发生，在某些温度下开始失效模式。

然而，还有一种可能发生的内部失效模式被称为镀锂，或者在某些领域被称为“白出”。当电池进入过压或欠压工作状态时，就会发生这种情况。在这些条件下，锂离子会被卡住，通常是在阳极，并且不再在电池中来回传递。被卡住的锂离子越多，电镀就会发生得越多，内阻就会增长，容量也会下降。外部故障模式包括电池在持续高负载或高温下的运行，以及较少的撞击和车辆碰撞场景。MIT的撞击耐撞实验室一直致力于了解撞击条件下锂离子电池设计的原因和可能的解决方案和补救措施(Sahraie,Meier,&Wierzbicki,2014；夏、Wierzbicki、Sahraei、Zhang，2014)。当锂离子电池在撞击中被刺穿时，外部短路事件是最有可能发生的情况。这种外部故障模式会导致电解质迅速流失，产生大量热量，并且在大多数情况下会发生热失控事件。MIT的研究小组建议使用增强强度的金属来“护甲”背包的底部，以减少外部碎片进入背包的可能性。当然，这是假设电池组安装在车辆外部，在其下方而不是在车辆内部。然而，即使是安装在内部的电池，在碰撞事件中也存在被穿透的风险。许多汽车原始设备制造商（oem）会进行碰撞模拟，以确保电池位于车辆的“挤压区”之外。有些厂商甚至将电池设计成汽车的一个结构部件。