了解磷酸铁锂电池的失效原因或机理,对于提高电池性能及其大规模生产和使用尤为重要。
一、生产过程中的失误
在磷酸铁锂电池的生产过程中,人员、设备、原料、方法和环境是影响产品质量的主要因素。
电极活性物质中的杂质导致电池失效:少量的Fe2O3、Fe等杂质会在负极表面被还原,可能击穿隔膜,造成内部短路。石墨阳极杂质含量越高,不可逆容量损失越大。
化成方法导致电池失效:发现化成温度过高会造成更多不可逆的锂离子损失。目前广泛采用的是小电流恒流-大电流恒流恒压的化成方式,可以有效降低化成温度对电池性能的影响。
生产环境潮湿导致电池失效:在实际生产中,电池不可避免地会与空气接触,因为正负极材料大多是微米或纳米颗粒,容易吸收空气中的水分。
二、搁置的失败
在电池的使用寿命内,大部分时间处于搁置状态。一般长时间搁置后,电池性能会下降,一般表现为内阻增大,电压降低,放电容量下降。造成电池性能下降的因素很多,其中温度、荷电状态、时间是最明显的因素。
在搁置状态下,恶劣的储存条件(高温、高荷电状态)会增加LiFePO4动力电池的自放电程度,使电池老化更加明显。
三、回收失败
电池在使用过程中一般会发热,所以温度的影响很重要。此外,使用模式和环境温度也会对电池产生不同的影响。
LiFePO4动力电池在循环过程中的容量损失一般被认为是由活性锂离子的损失引起的。随着放电倍率的增加,正极容量损失的增加程度大于负极。电池在低倍率循环中的容量损失主要是由于负极活性锂离子的消耗造成的,而电池在高倍率循环中的功率损失是由于正极阻抗的增加造成的。
当温度降低时,磷酸铁锂电池的放电容量会迅速下降。低温下,电池不能大电流充放电,否则会造成不可逆的容量损失。
四、充电和放电过程中的故障
电池在使用过程中,难免会出现过充的情况,这种情况比较少见。过充或过放过程中释放的热量容易积聚在电池内部,会进一步提高电池的温度,影响其使用寿命,增加电池起火或爆炸的可能性。即使在正常充放电条件下,随着循环次数的增加,电池系统中单体电池的容量不一致性也会增加。
虽然在不同的充电条件下,LiFePO4的热稳定性与其他正极材料相比是最好的,但是过充也会导致LiFePO4动力电池在使用中存在不安全的隐患。过充条件下电池失效的一个最重要的原因是锂枝晶刺穿隔膜引起的内部短路。