鋰離子電池失效機(jī)制及表征分析技術(shù)研究進(jìn)展王愿習(xí)王愿習(xí)陳學(xué)兵王怡高璟昌吳波劉嘯嵩鄭杰允李泓發(fā)揮工匠精神發(fā)揮工匠精神，深入一線，在問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)討論解析，木桶的短板需極致優(yōu)化。CONTENTS01是什么：電池失效02為什么：失效問(wèn)題頻發(fā)03怎么做：工程質(zhì)量管理體系建設(shè)04可靠性分析（數(shù)據(jù)可靠&準(zhǔn)確）05失效分析研究小結(jié)是什么：電池失效現(xiàn)象工程技術(shù)類電性能失效機(jī)理研究類電池設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)電池失效/事故類別工程技術(shù)類電性能失效機(jī)理研究類電池設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)容量跳水一致性差自放電大容量跳水一致性差自放電大安全性失效生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)漿料凝膠熱失控涂布不均短路安全性失效生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)漿料凝膠熱失控涂布不均短路毛刺漏檢漏液脹氣析鋰虛焊/漏焊封裝不良毛刺漏檢漏液脹氣析鋰虛焊/漏焊封裝不良失效現(xiàn)象具有多尺度、失效現(xiàn)象具有多尺度、多模式的發(fā)生特點(diǎn)，難預(yù)防、難追溯，研發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用端任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，均會(huì)直接導(dǎo)致電池失效。為什么：失效問(wèn)題頻發(fā)工作條件失效現(xiàn)象工作條件失效現(xiàn)象失效誘因從工作條件主要可以分為機(jī)械濫用、失效誘因從工作條件主要可以分為機(jī)械濫用、電濫用和熱濫用，厘清失效機(jī)理、現(xiàn)象與工作條件的關(guān)聯(lián)性，為預(yù)警模型及失效分析方法提供支撐。⑩金屬離子沉積⑩鋰沉積/鋰枝晶熱、電、力多場(chǎng)耦合下，電池失效與電池內(nèi)部關(guān)鍵材料的特性及其演化密不可分。QiyuWang,HongLietal,Energ.Stor.Sci.Technol.,2017,6,1008；TransportationElectrificationConferenceandExpo.IEEE,2014:1-6注液、保液系數(shù)壓展率、極卷脆斷性、極片剝離強(qiáng)度單體電池制作單體電池制作電池失效分析難點(diǎn)-多層級(jí)、多因素工程制作.電池失效分析難點(diǎn)-多層級(jí)、多因素工程制作.三者協(xié)同條件下的協(xié)同-難度大、領(lǐng)域面廣02影響因素復(fù)雜03構(gòu)效關(guān)系復(fù)雜05定量分析困難13.材料本體03構(gòu)效關(guān)系復(fù)雜05定量分析困難13.材料本體工作條件.體系化失效分析電池安全要求各環(huán)節(jié)均需嚴(yán)格把控體系化失效分析電池安全要求各環(huán)節(jié)均需嚴(yán)格把控，完善完整流程信息，防止多米諾骨牌效應(yīng)的發(fā)生。多層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化失效分析要求我們每個(gè)分析環(huán)節(jié)都應(yīng)考慮到可能的影響因子，并明確影響因子的作用情況。LC-MSICLC-MSICPCT成分分析GCGC-MMS學(xué)分析RRamanFFTIRTG-DTG-DSC產(chǎn)氣分析XXPSXXRD表界表界面分析AAFMTTEMFIFIB晶體結(jié)構(gòu)SSEM表界面現(xiàn)象觀測(cè)，取樣，扣電制備循循環(huán)體積產(chǎn)產(chǎn)氣/膨脹微米微米CT電芯設(shè)計(jì)超聲超聲波分析確定SOC循環(huán)循環(huán)伏安電解液窗口/相變充放電測(cè)試多渠道分析電電化學(xué)阻抗譜溫度/SOC是否存在局部腐蝕現(xiàn)象是否存在局部変形外表觀測(cè)無(wú)損檢測(cè)電池拆解有損檢測(cè)根據(jù)不同的實(shí)際情況選擇最適合的測(cè)試途徑是否存在漏液情況是否存在膨脹現(xiàn)象外表觀測(cè)無(wú)損檢測(cè)電池拆解有損檢測(cè)根據(jù)不同的實(shí)際情況選擇最適合的測(cè)試途徑鋰離子電池失效分析學(xué)科鋰離子電池失效分析學(xué)科，未形成標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量體系。失效特征定性不嚴(yán)謹(jǐn)電池開(kāi)發(fā)制備:ISO/失效特征定性不嚴(yán)謹(jǐn)拆解與取樣不規(guī)范設(shè)備與方法設(shè)備與方法選擇無(wú)標(biāo)準(zhǔn)工程技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新定性定量分析無(wú)驗(yàn)證工程技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新定性定量分析無(wú)驗(yàn)證工作標(biāo)準(zhǔn)原理創(chuàng)新原型器件小試驗(yàn)證中試原理創(chuàng)新原型器件小試驗(yàn)證中試放大規(guī)模量產(chǎn)商業(yè)應(yīng)用怎么做：工程質(zhì)量管理體系建設(shè)影響因子研究電池拆解再組裝電池拆解再組裝影響因素分析理化測(cè)試制樣理化測(cè)試制樣影響因素分析不同處理&方法不同處理&方法測(cè)試差異化分析材料層級(jí)材料層級(jí)極片層級(jí)析鋰失效孔隙率變化剝離強(qiáng)度非均勻極化異物失效超聲信號(hào)一致性拆解后，電池四周出現(xiàn)了黑斑與少量灰白電池層級(jí)產(chǎn)氣熱失控漏液自放電大零電壓原位氣體收集示意圖及不同電壓下氣相色譜圖，結(jié)合充放電可原位實(shí)現(xiàn)不同電壓下的軟包電池的氣體成通過(guò)ARC實(shí)現(xiàn)絕熱環(huán)境，采用“加熱-等待-搜尋”的工作模式記錄并分析單體電池?zé)崾Э靥匦裕@可靠的測(cè)試分析設(shè)備：材料-電芯-模組工程師能力Level判定，人崗匹配碩博人員占比50%可靠的測(cè)試分析設(shè)備：材料-電芯-模組以中科院物理所的博士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜以中科院物理所的博士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜，材料、電池、終端等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師團(tuán)隊(duì)80人為依托，以尖箔材等各電池組成材料表征分析標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試+非標(biāo)方法＞500+項(xiàng)。樣品制備樣品轉(zhuǎn)移樣品表征一體化集成各儀器與惰性氣氛手套箱直接相聯(lián)或通過(guò)惰性氣氛保護(hù)樣品轉(zhuǎn)移盒裝置進(jìn)行可靠性分析（數(shù)據(jù)可靠&準(zhǔn)確）容量衰減失效分析樹(shù)：外觀檢查常規(guī)性能分析失效電池容量測(cè)試分析材料與界面分析制程&工藝分析制程數(shù)據(jù)排查合漿配料理論值、實(shí)際值輥壓輥壓厚度裝配極片重量合漿工藝（時(shí)間、轉(zhuǎn)速、加料次序、比例等）輥壓前、后的面電阻極片厚度設(shè)備型號(hào)、廠家輥壓前過(guò)鋼針測(cè)試存液量固含量輥壓后粘附力測(cè)試化成&分容1、45℃陳化24小時(shí)粘度測(cè)試壓實(shí)窗口2、45℃,0.05C充電2.5h，擱置1min，0.1C充電2.5h。漿料穩(wěn)定性測(cè)試（2/8/16/24/48h）極片脆性測(cè)試3、高溫老化1D，常溫老化3天涂布涂布速度輥壓后極片的離子導(dǎo)電測(cè)試設(shè)計(jì)+工藝+制造環(huán)境濕度、烘箱溫度、風(fēng)量等輥壓后反彈膜片延展率過(guò)程檢（厚度、寬度、對(duì)齊度）極片重量漏箔、氣泡、顆粒、暗痕、箔材受傷等無(wú)損分析@信息收集：電池拆解前電性能測(cè)試電池拆解前-XCT電芯CT無(wú)異常，無(wú)脹氣、極片變形、正負(fù)極片局部錯(cuò)位等問(wèn)題。電池拆解后性能分析有損分析@結(jié)構(gòu)&組分：電池拆解后性能分析電池拆解后界面情況電池拆解后界面情況放電態(tài)及滿電態(tài)電池界面無(wú)異常。放電態(tài)及滿電態(tài)電池界面無(wú)異常。有損分析@表界面分析：SEM-EDSCPCP-SEM-EDS有損分析@表界面分析： 人：失效分析樹(shù)邏輯清楚，記錄規(guī)范料：樣品前處理、制樣、轉(zhuǎn)移有損分析@表界面分析： 人：失效分析樹(shù)邏輯清楚，記錄規(guī)范料：樣品前處理、制樣、轉(zhuǎn)移，測(cè)試等無(wú)異常法：測(cè)試方法通過(guò)影響因子驗(yàn)證，分析方法呢？ 環(huán)：測(cè)試環(huán)境等無(wú)異常，符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 有損分析@表界面分析：拆解再組裝-扣電與軟包/方形/圓柱電池性能匹配性分析驗(yàn)證電池結(jié)構(gòu)差異工藝參數(shù)差異l與軟包電池相比，扣電極片尺寸l扣電較低的N/P比及拆解再組裝過(guò)l老化過(guò)程失效模式不變l選取合適參數(shù)獲得更貼近的性能l扣電取樣受尺寸影響，有一定局l根據(jù)測(cè)試目的，選取合適的極片扣電制備過(guò)程影響因素分析-電解液殼體穩(wěn)定性殼體穩(wěn)定性鍍鋁/純鋁殼體成本高硬度低耐腐蝕性強(qiáng)不銹鋼耐腐蝕性差成本低鋰鹽及其影響鋰鹽及其影響溶劑及其影響溶劑及其影響\ADN的電解液后性能穩(wěn)定電解液及極片水分電解液及極片水分扣電制備過(guò)程影響因素分析-制備過(guò)程輔料/儀器清潔度輔料/儀器清潔度殼體清潔度殼體清潔度近測(cè)試原理測(cè)試原理XPS樣品制樣影響因素分析制樣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響制樣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響測(cè)試參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響測(cè)試參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響測(cè)試原理測(cè)試原理壓汞儀樣品制樣影響因素分析制樣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響制樣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響試前應(yīng)以有機(jī)溶液進(jìn)行浸洗并烘干清洗未清洗其他影響因素其他影響因素加熱爐測(cè)試原理?yè)?jù)熱失重曲線的位置、質(zhì)量差可計(jì)算物質(zhì)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。樣品。 天平加熱爐測(cè)試原理?yè)?jù)熱失重曲線的位置、質(zhì)量差可計(jì)算物質(zhì)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。樣品。 天平取樣位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響取樣位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響取樣位置其他影響因素其他影響因素金屬鋰表面成分分析o樣品信息：鋰金屬片4pcs（不同方式處理后）o樣品標(biāo)識(shí)：1#/2#/3#o測(cè)試需求：分析鋰金屬片表面成分以及深度分布o(jì)樣品制備：惰性氣氛樣品傳送管保護(hù)進(jìn)樣Unpublisheddata1#:手套箱內(nèi)存放的金屬鋰片表面有污染。Unpublisheddata樣品表面質(zhì)譜圖0.50.077x4x3066Li2H31Li31Li2OHLi2FLi3O41C3H543Li3C355C4H757C4H981Li3CO311181Li3CO3111020406080100120140410410CH3C2H3FPO2F2PO2F241C2HO45LiF2CHO24949C4HPO2PF601#:手套箱內(nèi)存放的金屬鋰片表面污染不均勻。Unpublisheddata樣品表面離子分布圖（Mapping）+PositiveSIMSIONMAPP1#:手套箱內(nèi)存放的金屬鋰片，表面污染隨深度變化，約5nm。Unpublisheddata樣品深度剖析圖譜（DepthProfili3O2H2F3C33H5050050100150200250300350F10050100150200250100樣品表面3D重構(gòu)（3Dimage）C3H5C3H5PO3/PO3/C2HO1#:手套箱內(nèi)存放的金屬鋰片，表面污染隨深度變化，深約5nm；Unpublisheddata2#:金屬鋰片暴露空氣1min，表面污染隨深度變化，深約10nm.3#:表面主要是LiF,隨著深度加深，Li2O逐漸升高。Unpublisheddata金屬鋰表面成分受多種因素影響552F43O2OH3F2443O2OH3F24F35F46F52H11007F69F82004006008003O3O2H55O22OH7O39O42F22050050100150200250失效分析研究小結(jié)項(xiàng)目管理：①失效分析≠檢測(cè)、檢驗(yàn)；項(xiàng)目管理：①失效分析≠檢測(cè)、檢驗(yàn)；②失效分析不應(yīng)設(shè)定固定的時(shí)間表；③失效分析不宜提出過(guò)于明確的預(yù)期結(jié)果，對(duì)失效分析人員、程序的管理偏向基礎(chǔ)研發(fā)模式。④對(duì)產(chǎn)品失效分析、預(yù)防改進(jìn)流程的管理-作業(yè)流程SOP標(biāo)準(zhǔn)化。失效現(xiàn)象背景深度挖掘確定失效模式確定失效模式研究失效機(jī)理及直接影響因素研究失效機(jī)理及直接影響因素檢測(cè)表征、數(shù)據(jù)驗(yàn)證檢測(cè)表征、數(shù)據(jù)驗(yàn)證技術(shù)開(kāi)發(fā)：①產(chǎn)品失效分析：針對(duì)某一具體產(chǎn)品的某一次失效進(jìn)行失效性質(zhì)和原因分析①產(chǎn)品失效分析：針對(duì)某一具體