Analys av korrosionsmekanismer i aluminium-höljda litiumjärnceller: förbättrad säkerhet och livslängd

Med den snabba utvecklingen av det nya energifordonet, energilagringssystemet och konsumentelektronikindustrin ökar kraven på säkerhet, energitäthet och livslängd för litium-jonbatterier ständigt. Tack vare deras utmärkta mekaniska styrka, lätta natur och överlägsna värmeavledningsförmåga har aluminiumhöljen blivit en nyckelförpackningslösning för många kraft- och energilagringsbatterier. I synnerhet används aluminiumhöljen i stor utsträckning i prismatiska batterier, vilket ger tillförlitligt strukturellt skydd och termisk hantering för battericellerna.

 

Jämfört med påsceller och vissa cylindriska batterier, erbjuder aluminium-batterier överlägsen slagtålighet och dimensionsstabilitet. Speciellt i batterisystem med hög-kapacitet förbättrar aluminiumhöljen effektivt cellernas totala styvhet och minskar risken för deformation orsakad av yttre mekanisk påfrestning under transport och drift; följaktligen används de i stor utsträckning inom järnvägstransitering, energilagring och nya energifordon.

 

Under normala driftsförhållanden bildas ett tätt och stabilt oxidpassiveringsskikt på ytan av aluminiumhöljet. Denna skyddsfilm förhindrar effektivt direktkontakt mellan metallsubstratet och externa media, och förbättrar därmed korrosionsbeständigheten. För aluminiumhöljen som används i litium-polymerbattericeller är integriteten hos detta passiveringsskikt direkt kopplad till den långsiktiga-tillförlitligheten och livslängden för batterihöljet.

 

Ytterligare analys med energi-dispersiv spektroskopi (EDS) visade att även om det intakta höljet huvudsakligen består av aluminium, innehåller de korroderade områdena betydande mängder syre och kol. Detta indikerar att korrosionsprocessen involverar bildandet av nya kemiska reaktionsprodukter och komplexa elektrokemiska förändringar.

 

Röntgendiffraktionsanalys (XRD) visade att korrosionsprodukterna huvudsakligen består av litiumkarbonat och mindre mängder litium-aluminiumföreningar. Detta tyder på att litiumjoner under specifika förhållanden deltar i kemiska reaktioner på höljets yta. I fallet med prismatiska litiumbatterihöljen, om en elektrisk anslutning bildas mellan den negativa elektroden och höljet, kan litiumjoner företrädesvis migrera mot höljet och genomgå en interkalationsreaktion.

 

Mekanistiskt har aluminiummetallgittret en strukturell konfiguration som rymmer litiumjoninterkalering. När den negativa elektroden kommer i direkt kontakt med höljet kan vissa litiumjoner komma in i aluminiumgittret för att bilda litium-aluminiumföreningar. När reaktionen fortskrider bildas mellanprodukter såsom litiumoxid och litiumhydroxid på höljets yta; detta är en primär orsak till att de korroderade proverna uppvisar distinkt alkalinitet.

 

När korrosion fortskrider reagerar dessa litiumföreningar med atmosfärisk koldioxid, vilket slutligen producerar betydande litiumkarbonatavlagringar. För batterihöljen för litiumjärnfosfat (LFP) äventyrar sådana avlagringar inte bara höljets strukturella integritet utan accelererar också elektrolytförbrukningen och ökar den inre impedansen, vilket leder till kontinuerlig försämring av batterikapaciteten.

 

 

Utöver själva de kemiska reaktionerna är förändringar i höljets potential en kritisk faktor som påverkar korrosion. Forskning visar att även om en betydande potentialskillnad upprätthålls mellan höljet och den negativa elektroden i en frisk cell, sjunker denna skillnad till nära noll i celler som genomgår korrosion. För litium-jonceller med aluminiumhölje signalerar en låg potentialskillnad ofta ett fel i isoleringssystemet, vilket skapar förutsättningar som gör att korrosionsreaktionen kan fortskrida.

 

Ur ett tillverkningsperspektiv ligger nyckeln till att förhindra korrosion i att förbättra tillförlitligheten hos höljets isolering. Produktionsprocesser för aluminiumhöljen måste strikt kontrollera elektroddimensioner, dimensionella toleranser och monteringspositionering; samtidigt måste isoleringskonstruktioner i flikområdet förstärkas för att förhindra direktkontakt mellan den negativa elektroden och höljet. Dessutom bör robusta mekanismer för övervakning av höljes potential och screeningprodukter upprättas för att identifiera celler med potentiella risker i ett så tidigt skede som möjligt.

 

Sammanfattningsvis är korrosion av aluminiumhölje i grunden en komplex elektrokemisk process som drivs av onormal kontakt mellan den negativa elektroden ochBatteriskal i aluminium, som utlöser en kedjereaktion som involverar interkalering av litiumjoner i aluminiummetallen. I takt med att hög-energi-densitetsbatterier utvecklas kommer optimeringen av aluminiumhöljesmaterial, uppgraderingen av isoleringsstrukturer och fortsatta framsteg inom-linjeinspektionstekniker att vara avgörande för att förbättra säkerheten, tillförlitligheten och livslängden för litiumbatterier-.