在能源危機(jī)和環(huán)境污染的大背景下，鋰離子電池作為21世紀(jì)發(fā)展的理想能源，受到越來(lái)越多的關(guān)注。但鋰離子電池在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中會(huì)出現(xiàn)某些失效現(xiàn)象，包括容量衰減、內(nèi)阻增大、倍率性能降低、產(chǎn)氣、漏液、短路、變形、熱失控、析鋰等，嚴(yán)重降低了鋰離子電池的使用性能、可靠性、安全性，而且單一電池失效之后也會(huì)影響整個(gè)電池組的性能，甚至?xí)?dǎo)致電池組停止工作或引發(fā)其他安全問題。

一、鋰電池失效分類

為了避免鋰電池因性能衰減引發(fā)的安全問題，開展鋰電池失效分析勢(shì)在必行。鋰電池的失效是指由某些特定的本質(zhì)原因?qū)е码姵匦阅芩p或使用性能異常，分為性能失效和安全性失效。

二、失效原因

鋰電池失效的原因可以分為內(nèi)因和外因。

內(nèi)因主要指的是失效的物理化學(xué)變化本質(zhì)，研究尺度可以追溯到原子、分子尺度，研究失效過程中的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變化。

外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素。

三、常見失效表現(xiàn)及其失效機(jī)理分析

（1）容量衰減

容量衰減主要分可逆容量衰減和不可逆容量衰減兩類。可逆容量衰減可以通過調(diào)整電池充放電制度和改善電池使用環(huán)境等措施使損失的容量恢復(fù)；而不可逆容量衰減是電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的改變產(chǎn)生了不可恢復(fù)的容量損失。電池容量衰減失效的根源在于材料的失效，同時(shí)與電池制造工藝、電池使用環(huán)境等客觀因素有緊密聯(lián)系。從材料角度看，造成失效的原因主要有正極材料的結(jié)構(gòu)失效、負(fù)極表面SEI過渡生長(zhǎng)、電解液分解與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。

（2）內(nèi)阻增大

鋰離子電池的內(nèi)阻與電池體系內(nèi)部電子傳輸和離子傳輸過程有關(guān)，主要分為歐姆電阻和極化內(nèi)阻，其中極化內(nèi)阻主要由電化學(xué)極化導(dǎo)致，存在電化學(xué)極化和濃差極化兩種。導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)阻增大的主要因素分為電池關(guān)鍵材料和電池使用環(huán)境。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)闕永春等利用同步輻射技術(shù)提出過渡元素的跳躍機(jī)理是電勢(shì)滯后和電壓衰減的原因，說(shuō)明了在電池體系內(nèi)部，關(guān)鍵材料的異常是內(nèi)阻增大和電池極化的根本影響因素。

（3）內(nèi)短路

短路的表現(xiàn)可分為：①銅/鋁集流體之間的短路；②隔膜失效失去電子絕緣性或空隙變大使正、負(fù)極微接觸，出現(xiàn)局部發(fā)熱嚴(yán)重，再進(jìn)一步充放電過程中，可能向四周擴(kuò)散，形成熱失控；③正極漿料中過渡金屬雜質(zhì)未去除干凈，刺穿隔膜、或促使負(fù)極鋰枝晶生成導(dǎo)致內(nèi)短路；④鋰枝晶導(dǎo)致內(nèi)短路的發(fā)生。此外，在電池設(shè)計(jì)制造或電池組組裝過程上，不合理的設(shè)計(jì)和局部壓力過大也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)短路。電池過充和過放，也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)短路，主要是由于其中集流體腐蝕，在電極表面出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況會(huì)通過隔膜連通正負(fù)極。

（4）產(chǎn)氣

鋰離子電池產(chǎn)氣主要分為正常產(chǎn)氣與異常產(chǎn)氣。在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩(wěn)定SEI膜所發(fā)生的產(chǎn)氣現(xiàn)象為正常產(chǎn)氣。化成階段產(chǎn)氣主要為由酯類單/雙電子反應(yīng)產(chǎn)生H2、CO2、C2H2等。異常產(chǎn)氣主要是只在電池循環(huán)過程中，過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象，常出現(xiàn)在軟包電池中，造成電池內(nèi)部壓力過大而變形、撐破封裝鋁膜、內(nèi)部電芯接觸問題等。

（5）熱失控

熱失控是指鋰離子電池內(nèi)部局部或整體的溫度急速上升，熱量不能及時(shí)散去，大量積聚在內(nèi)部，并誘發(fā)進(jìn)一步的副反應(yīng)。為了防止鋰離子電池因熱失控造成嚴(yán)重的安全問題，常采用PTC、安全閥、導(dǎo)熱膜等措施，同時(shí)在電池的設(shè)計(jì)、電池制造過程、電池管理系統(tǒng)、電池使用環(huán)境等方面都需要進(jìn)行系統(tǒng)性的考慮。

（6）析鋰

析鋰是一種比較常見的鋰離子電池老化失效現(xiàn)象。表現(xiàn)形式主要是負(fù)極極片表面出現(xiàn)一層灰色、灰白色或者灰藍(lán)色物質(zhì)，這些物質(zhì)是在負(fù)極表面析出的金屬鋰。清華大學(xué)張強(qiáng)等指出影響枝晶生長(zhǎng)的主要因素為電流密度、溫度和電量，通過加入電解液添加劑、人造SEI、高鹽濃度電解液、結(jié)構(gòu)化負(fù)極、優(yōu)化電池構(gòu)型設(shè)計(jì)等措施來(lái)抑制枝晶的生長(zhǎng)。鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，小至手機(jī)電腦等移動(dòng)終端，大到電動(dòng)公交和大規(guī)模儲(chǔ)能。自從國(guó)內(nèi)外發(fā)生的多起手機(jī)電動(dòng)汽車的起火爆炸事故后，可靠性安全性與其性能一樣重要。但中國(guó)失效分析雖在機(jī)械領(lǐng)域和航空領(lǐng)域得到系統(tǒng)性的發(fā)展，而在鋰電池領(lǐng)域還未得到系統(tǒng)的研究，仍面臨很多問題。雖然電池企業(yè)及材料企業(yè)也各自開展了鋰離子電池失效分析的研究，但多偏重于電池制造工藝和材料的研發(fā)制備，以提高電池性能、降低電池成本為直接目標(biāo)。希望未來(lái)研究院所與相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)合作交流，建立完善的鋰離子電池失效故障樹和失效分析流程。