Анализ механизмов коррозии литий-железных элементов в алюминиевом-корпусе: повышение безопасности и долговечности

С быстрым развитием новых энергетических транспортных средств, систем хранения энергии и бытовой электроники требования к безопасности, плотности энергии и сроку службы литий-ионных аккумуляторов постоянно растут. Благодаря своей превосходной механической прочности, легкому весу и превосходным способностям рассеивания тепла алюминиевые корпуса стали ключевым упаковочным решением для многих аккумуляторов мощности и энергии. В частности, в призматических аккумуляторах широко используются алюминиевые корпуса, обеспечивающие надежную структурную защиту и терморегулирование аккумуляторных элементов.

 

По сравнению с пакетными элементами и некоторыми цилиндрическими батареями батареи в алюминиевом-корпусе обеспечивают превосходную ударопрочность и стабильность размеров. Алюминиевые корпуса, особенно в аккумуляторных системах большой-емкости, эффективно повышают общую жесткость элементов и снижают риск деформации, вызванной внешним механическим воздействием во время транспортировки и эксплуатации; следовательно, они широко используются в железнодорожном транспорте, хранении энергии и транспортных средствах на новой энергии.

 

В нормальных условиях эксплуатации на поверхности алюминиевого корпуса образуется плотный и устойчивый оксидный пассивирующий слой. Эта защитная пленка эффективно предотвращает прямой контакт между металлической подложкой и внешней средой, тем самым повышая коррозионную стойкость. В алюминиевых корпусах, используемых в литий-полимерных аккумуляторных элементах, целостность этого пассивирующего слоя напрямую связана с долгосрочной-надежностью и сроком службы корпуса аккумулятора.

 

Дальнейший анализ с помощью энергодисперсионной-спектроскопии (ЭДС) показал, что, хотя неповрежденный корпус состоит в основном из алюминия, корродированные участки содержат значительное количество кислорода и углерода. Это указывает на то, что процесс коррозии сопровождается образованием новых продуктов химических реакций и сложными электрохимическими изменениями.

 

Рентгеноструктурный анализ (РФА) показал, что продукты коррозии состоят в основном из карбоната лития и небольших количеств соединений лития-алюминия. Это говорит о том, что в определенных условиях ионы лития участвуют в химических реакциях на поверхности корпуса. В случае призматических корпусов литиевых батарей, если между отрицательным электродом и корпусом образуется электрическое соединение, ионы лития могут преимущественно мигрировать к корпусу и подвергаться реакции интеркаляции.

 

Механически решетка металлического алюминия имеет структурную конфигурацию, которая обеспечивает интеркаляцию ионов лития. Когда отрицательный электрод вступает в непосредственный контакт с корпусом, некоторые ионы лития могут проникнуть в решетку алюминия, образуя соединения лития-алюминия. По мере протекания реакции на поверхности корпуса образуются промежуточные продукты, такие как оксид лития и гидроксид лития; это основная причина, почему корродированные образцы демонстрируют отчетливую щелочность.

 

По мере развития коррозии эти соединения лития реагируют с атмосферным углекислым газом, в конечном итоге образуя значительные отложения карбоната лития. В корпусах литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP) такие отложения не только нарушают структурную целостность корпуса, но также ускоряют расход электролита и увеличивают внутренний импеданс, что приводит к постоянному снижению емкости аккумулятора.

 

 

Помимо самих химических реакций, критическим фактором, влияющим на коррозию, являются изменения потенциала корпуса. Исследования показывают, что, хотя между корпусом и отрицательным электродом в здоровом элементе сохраняется значительная разность потенциалов, в элементах, подвергающихся коррозии, эта разница падает почти до нуля. Для литий-ионных элементов с алюминиевым корпусом низкая разность потенциалов часто сигнализирует о неисправности системы изоляции, тем самым создавая условия, способствующие развитию коррозионной реакции.

 

С точки зрения производства ключом к предотвращению коррозии является повышение надежности изоляции корпуса. В процессах производства алюминиевых корпусов необходимо строго контролировать размеры электродов, допуски на размеры и расположение сборки; одновременно необходимо усилить изоляционные конструкции в области выводов, чтобы исключить прямой контакт отрицательного электрода с корпусом. Кроме того, необходимо создать надежные механизмы мониторинга потенциала оболочки и продуктов скрининга для выявления клеток с потенциальным риском на как можно более ранней стадии.

 

Таким образом, коррозия алюминиевого корпуса — это, по сути, сложный электрохимический процесс, вызванный ненормальным контактом между отрицательным электродом иАлюминиевый корпус аккумулятора, что запускает цепную реакцию, включающую интеркаляцию ионов лития в металлический алюминий. По мере развития аккумуляторов с высокой-энергетической-плотностью оптимизация материалов алюминиевого корпуса, модернизация изоляционных конструкций и постоянное развитие технологий внутрипоточного контроля будут иметь решающее значение для повышения безопасности, надежности и срока службы литий-ионных аккумуляторов.