Korrosionsmekanismer, fejltilstande og systematiske beskyttelsesstrategier for aluminium-beklædte lithium-ionbatterier

Korrosion af aluminium batterihuse er primært kategoriseret i to typer: ekstern korrosion og intern korrosion. Ekstern korrosion stammer fra batteriets udsættelse for ætsende stoffer-såsom syrer og alkalier (f.eks. regnvand eller rengøringsmidler)-under opbevaring eller drift, hvilket direkte eroderer overfladen af ​​aluminiumshuset. Intern korrosion er omvendt mere snigende og potentielt mere farlig; dens grundlæggende årsag ligger i interkalationen af ​​lithium i aluminiumstrukturen under specifikke elektrokemiske forhold. Når potentialet for aluminiumshuset falder til mellem 0,2 og 0,4 V (i forhold til Li/Li+), interkalerer Li+-ioner ind i aluminiumkrystalgitteret for at danne intermetalliske legeringer såsom LiAl og Li3Al2.

Denne proces inducerer gitterudvidelse og revner, hvilket i sidste ende får aluminiumet til at pulverisere, miste sin metalliske glans og danne et porøst korrosionslag. Denne nedbrydningsproces udløses typisk af en utilsigtet kortslutning mellem den negative elektrode og aluminiumshuset.

For at intern korrosion kan forekomme, skal tre betingelser være opfyldt samtidigt: tilstedeværelsen af ​​en elektronbane, en ionvej og et korrosivt potentiale. Af disse er ionvejen (tilvejebragt af elektrolytten) uundgåelig; blokering af elektronbanen og styring af potentialforskellen udgør derfor kernestrategierne for korrosionsforebyggelse. I standarddesign sikrer aluminiumshuset i en prismatisk battericelle fuldstændig elektrisk isolation mellem den negative elektrode og huset ved brug af isolerende materialer (såsom isolerende film eller top-dækselpakninger).

Men hvis den negative elektrode kommer i kontakt med den indvendige væg af huset,-uanset om det skyldes fabrikationsfejl (f.eks. for lange elektrodeflige, forskudte isolerende klæbemidler eller dårlig viklingsindkapsling) eller ekstern mekanisk beskadigelse-vil spændingen mellem den negative elektrode og de nødvendige V-forhold nærme sig. lithium-interkalationskorrosion. Eksperimentelle undersøgelser har vist, at sådanne kompromitterede batterier efter adskillige opladnings-afladningscyklusser ofte udviser perforeringer og elektrolytlækage i nærheden af ​​den eksplosionssikre-ventil.

Ydermere udgør eksterne kortslutninger en lige så betydelig risiko. Hvis den ydre overflade af batterikabinettet etablerer en ledende vej til den negative terminal-på grund af resterende elektrolyt eller kontakt med eksterne metalliske genstande (såsom testarmaturer eller ledninger)-kan det på samme måde sænke kabinettets spænding ned i det korrosive potentialområde. Forskning tyder på, at batterier med en indledende spænding på 1-2 V, når de udsættes for opladnings-afladningscyklusser, efter at der er etableret en kunstig kortslutning med minuspolen, hurtigt udviser tegn på korrosion af aluminiumshus. På batteripakkeniveau (PACK), hvis aluminiumshusene i tilstødende individuelle celler kommer i elektrisk kontakt, ændrer det potentialefordelingen over hele seriekredsløbet. Dette kan medføre, at spændingen i kappen i specifikke individuelle celler falder unormalt lavt-eller endda bliver negativ-og derved udløser lokal korrosion. For eksempel i en batteripakke med tre-celler kan en kortslutning mellem aluminiumshylstrene i den første og sidste celle få spændingen i terminalcellens kabinet til at falde til -1,5 V, og derved accelerere dens svigt.

Miljøfaktorer må heller ikke overses. Hvis et aluminium-batteri, der er designet til nye energikøretøjer, nedsænkes i svagt surt vand (pH ≈ 5), forbliver kabinetspændingen svær at genvinde fuldstændigt, selv efter tørring. Hvis opladnings- og afladningscyklusser fortsætter i denne kompromitterede tilstand, accelererer korrosionshastigheden betydeligt. Dette sker, fordi tilstedeværelsen af ​​fugt introducerer yderligere ioniske veje, mens urenheder katalyserer de elektrokemiske reaktioner. Mere kritisk, under forhold med lav beklædningsspænding, kan metallisk lithium aflejres direkte på overfladen af ​​aluminiumshuset, hvilket yderligere forværrer legeringskorrosion.

Indvirkningen af ​​korrosion på batteriets ydeevne udviser en forsinket effekt. Under den indledende fase (f.eks. de første 400 cyklusser) synes kapacitetsbevarelsen af ​​det genopladelige-aluminiumsbatteri ikke at kunne skelnes fra en normal, ikke-korroderet enhed; Men efterhånden som cyklussen skrider frem, forbruges aktivt lithium kontinuerligt i de lithieringsreaktioner, der forekommer ved aluminiumshuset, hvilket fører til et irreversibelt tab af aktivt materiale ved katoden. Efter 1.500 cyklusser kan kapacitetsbevarelsen af ​​et korroderet batteri styrtdykke fra 88 % til så lavt som 60 %. Med hensyn til hastighedsydelse observeres ingen signifikante forskelle under udledningshastigheder under 5C; ved høje afladningshastigheder, der overstiger 10C, øges det korroderede batteris indre modstand, hvilket resulterer i en markant forringelse af ydeevnen.