锂离子电池失效分析
从前，失效分析伴随一个产品研发工程师从项目立项到项目终结，两者为一体，但随着越来越多公司规模的增长，失效分析变得越来越深入和复杂，其平台化也越来越快，相应市场上也看到失效分析岗位的数量在增加。可以说失效分析在研发工作中变得越来越重要，我们在下面简单了解以下电芯的失效。
概念与目标
失效分析（FA） 是“以失效现象为起点，以根因（Root Cause）定位、机理揭示、风险复现与改进验证为闭环”的系统化技术活动。
在锂离子电池领域，FA 的核心目标：
- 迅速、准确地回答“Why it failed”；
- 量化失效所带来的安全、性能与经济风险；
- 为设计迭代、工艺优化、BMS 策略升级提供数据闭环。
失效类型
按失效后果分类
| 大类 | 典型模式 | 主要危害 |
|---|---|---|
| 性能失效 | 容量跳水、循环寿命短、功率衰减、自放电大、低温性能下降 | 无法满足使用需求 |
| 安全失效 | 热失控、胀气、漏液、析锂、短路、形变 | 起火、爆炸等安全事故 |
按诱发因素分类
| 维度 | 子类 | 典型机理与表现 |
|---|---|---|
| 内生性失效 | 制程缺陷 | 极片毛刺、杂质颗粒 → 内部微短路 |
| 材料退化 | 活性颗粒破碎、SEI 膜增厚、集流体腐蚀 | |
| 外源性失效 | 机械滥用 | 挤压、穿刺 → 隔膜破裂 → 短路 |
| 电滥用 | 过充/过放 → 析锂、正极释氧、电解液氧化 | |
| 热滥用 | 外部高温 → SEI 分解 → 热失控 |
按时间轴分类
| 时期 | 主要原因 | 常见失效模式 |
|---|---|---|
| 早期失效 | 制造缺陷 | 极片错位、杂质污染、焊接虚焊 |
| 中期失效 | 使用工况 | 频繁快充、高/低温循环 → 析锂、容量衰减 |
| 晚期失效 | 老化累积 | 活性锂/活性物质损失、结构粉化、电解液干涸 |
关键失效机理汇总
| 组件 | 失效机理 | 结果 |
|---|---|---|
| 正极 | 晶格畸变、过渡金属溶解、粘结剂失效 | 容量衰减、阻抗增大 |
| 负极 | 析锂与枝晶、SEI 膜破裂/增厚、石墨剥落 | 容量损失、内短路 |
| 电解液 | 氧化分解、产气、HF 生成 | 胀气、热失控触发 |
| 隔膜 | 热收缩、机械穿刺、闭孔失效 | 内短路、热失控 |
| 集流体 | 铜/铝箔腐蚀、焊接断裂 | 接触电阻增大、断路 |
典型失效触发场景
| 触发场景 | 常见失效模式 | 风险等级* |
|---|---|---|
| 低温（<0 °C）大倍率充电 | 负极析锂 → 内短路 → 热失控 | 极高 |
| 高电压（>4.35 V）循环 | 正极析氧、电解液氧化产气 | 高 |
| 机械冲击/挤压 | 隔膜穿刺、集流体断裂 → 软短路 | 高 |
| 长期 60 °C 浮充存储 | SEI 过度生长、容量跳水 | 中 |
| 电解液含水量>50 ppm | HF 腐蚀 → 铝箔穿孔 | 中 |
风险等级基于《UN GTR 20》与《IEC 62660-3》综合评分。
失效分析标准流程
graph TD
A[现场信息收集] --> B[无损初筛]
B --> C[拆解/取样]
C --> D[物化-电化学表征]
D --> E[多尺度模拟验证]
E --> F[根因定位]
F --> G[改进验证/闭环]
- 现场信息：BMS 日志、温度/电压/电流曲线、循环次数、环境应力。
- 无损初筛：CT、超声、IR 热像。
- 拆解&取样：Ar 手套箱内拆解，避免二次氧化。
- 物化-电化学表征：SEM-EDS、XPS、TOF-SIMS、EIS、TGC（总气体分析）。
- 多尺度模拟：相场析锂模型、热失控耦合 CFD。
- 根因定位：FTA（Fault Tree Analysis）与 FMEA 交叉验证。
- 改进验证：DOE 实验、加速老化、BMS 算法升级。
关键表征技术与可检缺陷
| 技术 | 空间分辨率 | 可检缺陷/信息 | 典型案例 |
|---|---|---|---|
| X-ray CT | 1 µm | 极片褶皱、析锂三维分布、隔膜裂纹 | 软包膨胀根因 |
| SEM-EDS | 10 nm | 颗粒粉化、SEI 厚度、元素迁移 | NCM 单晶开裂 |
| TOF-SIMS | 100 nm | Li⁺/Na⁺/F⁻ 深度分布、SEI 组分 | 电解液分解路径 |
| EIS+三电极 | — | R_SEI, R_ct, Li⁺扩散系数 | 负极析锂阈值 |
| DSC/ARC | — | 副反应放热起始温度、ΔH | 热失控触发点 |
| 超声波扫描 | 50 µm | 极片-隔膜分层、电解液浸润缺陷 | 叠片软包气泡 |
典型案例解析
低温析锂致内短路
- 现象：-10 °C、1.5 C 充电 500 次后容量衰减至 70 %，CT 发现负极表面厚度增加 12 µm。
- 根因：
- 负极电位 < 0 V vs. Li/Li⁺，满足析锂条件；
- 死锂刺穿隔膜，形成“金属桥”。
- 改进：
- 负极极片预热 5 °C；
- 采用脉冲-弛豫充电策略，析锂量减少 78 %（实验验证）。
高镍正极氧析出导致鼓胀
- 现象：4.4 V 循环 300 次后，软包鼓胀 > 8 mm，气体以 O₂、CO₂ 为主。
- 根因：晶格氧释放 → 与电解液反应 → 气体生成。
- 改进：
- 正极表面包覆 Li₃PO₄ 2 nm；
- 电解液添加 1 wt % LiPF₆-TEP 阻燃剂；
- 鼓胀率降至 < 2 mm。
机械滥用-极耳断裂
- 现象：电池跌落 1 m 后，电压瞬间跌落 0.5 V。
- 根因：极耳根部应力集中，铝箔疲劳断裂。
- 改进：
- 极耳根部增加 0.1 mm 圆弧过渡；
- 通过 50 J 冲击测试无电压跌落。
产业级失效数据库与 AI 赋能
- 数据库：Argonne National Laboratory Battery Failure Databank（>10 000 条失效记录，2025 版）。
- AI-FA 框架：
- 自动特征提取（CT、EIS、日志多模态融合）；
- GNN 预测失效模式，Top-3 准确率 92 %；
- 辅助工程师 30 min 内生成根因报告。