Analyse af korrosionsmekanismer i aluminium-beklædte lithiumjernceller: øget sikkerhed og lang levetid

Med den hurtige udvikling af de nye energikøretøjer, energilagringssystem og forbrugerelektronikindustrien stiger kravene til sikkerhed, energitæthed og cykluslevetid for lithium-ion-batterier konstant. Takket være deres fremragende mekaniske styrke, lette natur og overlegne varmeafledningsevner er aluminiumshylstre blevet en nøglepakkeløsning til mange strøm- og energilagringsbatterier. Især aluminiumshuse er meget udbredt i prismatiske strømbatterier, hvilket giver pålidelig strukturel beskyttelse og termisk styring af battericellerne.

 

Sammenlignet med poseceller og visse cylindriske batteridesigns tilbyder-aluminiumsbatterier overlegen slagfasthed og dimensionsstabilitet. Især i batterisystemer med høj-kapacitet forbedrer aluminiumshuse effektivt cellernes samlede stivhed og reducerer risikoen for deformation forårsaget af ekstern mekanisk belastning under transport og drift; følgelig anvendes de i vid udstrækning til jernbanetransit, energilagring og nye energikøretøjer.

 

Under normale driftsforhold dannes et tæt og stabilt oxidpassiveringslag på overfladen af ​​aluminiumshuset. Denne beskyttende film forhindrer effektivt direkte kontakt mellem metalsubstratet og eksterne medier og forbedrer derved korrosionsbestandigheden. For aluminiumshuse, der bruges i lithium-polymerbattericeller, er integriteten af ​​dette passiveringslag direkte forbundet med den langsigtede-pålidelighed og levetid for batterihuset.

 

Yderligere analyse ved hjælp af energi-dispersiv spektroskopi (EDS) viste, at selvom det intakte kabinet primært består af aluminium, indeholder de korroderede områder betydelige mængder ilt og kulstof. Dette indikerer, at korrosionsprocessen involverer dannelsen af ​​nye kemiske reaktionsprodukter og komplekse elektrokemiske ændringer.

 

Røntgendiffraktionsanalyse (XRD) viste, at korrosionsprodukterne hovedsageligt består af lithiumcarbonat og mindre mængder lithium-aluminiumforbindelser. Dette tyder på, at lithium-ioner under specifikke forhold deltager i kemiske reaktioner på kappens overflade. I tilfælde af prismatiske lithiumbatterihuse, hvis der dannes en elektrisk forbindelse mellem den negative elektrode og huset, kan lithiumioner fortrinsvis migrere mod huset og gennemgå en interkalationsreaktion.

 

Mekanistisk har aluminiummetalgitteret en strukturel konfiguration, der rummer lithiumion-interkalation. Når den negative elektrode kommer i direkte kontakt med huset, kan nogle lithiumioner trænge ind i aluminiumsgitteret for at danne lithium-aluminiumforbindelser. Efterhånden som reaktionen skrider frem, dannes mellemprodukter såsom lithiumoxid og lithiumhydroxid på kappeoverfladen; dette er en primær årsag til, at de korroderede prøver udviser tydelig alkalinitet.

 

Efterhånden som korrosionen skrider frem, reagerer disse lithiumforbindelser med atmosfærisk kuldioxid, hvilket i sidste ende producerer betydelige lithiumcarbonataflejringer. For lithiumjernfosfat (LFP) batterihuse kompromitterer sådanne aflejringer ikke kun kabinettets strukturelle integritet, men accelererer også elektrolytforbruget og øger den indre impedans, hvilket fører til kontinuerlig forringelse af batterikapaciteten.

 

 

Ud over selve kemiske reaktioner er ændringer i foringsrørpotentialet en kritisk faktor, der påvirker korrosion. Forskning viser, at mens der opretholdes en signifikant potentialforskel mellem huset og den negative elektrode i en sund celle, falder denne forskel til næsten nul i celler, der gennemgår korrosion. For lithium-ionceller med aluminiumshuse signalerer en lav potentialforskel ofte et svigt i isoleringssystemet og skaber derved forhold, der tillader korrosionsreaktionen at skride frem.

 

Fra et produktionsperspektiv ligger nøglen til at forhindre korrosion i at øge pålideligheden af ​​husets isolering. Produktionsprocesser for aluminiumshylstre skal nøje kontrollere elektrodedimensioner, dimensionelle tolerancer og samlingspositionering; samtidig skal isoleringsdesign i fligområdet forstærkes for at forhindre direkte kontakt mellem den negative elektrode og huset. Desuden bør der etableres robuste mekanismer til overvågning af hylsterpotentiale og screeningsprodukter for at identificere celler med potentielle risici på det tidligst mulige stadium.

 

Sammenfattende er korrosion af aluminiumshus grundlæggende en kompleks elektrokemisk proces drevet af unormal kontakt mellem den negative elektrode ogBatteriskal af aluminium, som udløser en kædereaktion, der involverer interkalation af lithium-ioner i aluminiummetallet. Efterhånden som batterier med høj-energi-densitet udvikler sig, vil optimering af aluminiumshusmaterialer, opgradering af isoleringsstrukturer og fortsatte fremskridt inden for in-line-inspektionsteknologier være afgørende for at øge sikkerheden, pålideligheden og levetiden for lithium-ionbatterier.