“锂”清电池失效分析，“爆”料前沿表征科技
时间：2024-11-09 阅读：30
有媒体报道，到了2050年，随着全球气候变暖，世界上大部分城市将因为太热而不能举办奥运会。
气候问题严峻。怎么办？
全世界都在寻求答案。
推动能源和交通绿色转型，是全面绿色转型的重要部分，也是关乎生存和发展的重大课题。而作为推动转型关键的新能源电池，也进入了新的发展阶段。锂离子电池行业必须迈进“高标准”发展阶段。这对锂离子电池的性能和安全性提出了前所未有的挑战。
对锂离子电池的失效进行深入分析，既是提高电池性能的必要手段，也是保障用户安全的重要措施。锂离子电池的失效主要可分为两类：性能失效和安全性失效。性能失效指的是锂电池的性能达不到使用要求和相关指标，主要有容量衰减或跳水、循环寿命短、倍率性能差、一致性差、易自放电、高低温性能衰减等；安全性失效指的是锂电池由于使用不当或者滥用，出现的具有一定安全风险的失效，主要有热失控、胀气、漏液、析锂、短路、膨胀形变等。
在新能源汽车用户的反馈中，车辆续航里程缩水是投诉的“重灾区”
令人担忧的锂离子电池安全问题层出不穷
在《中国制造2025》中，提出了能量型锂电池比能量需超过300W·h/kg，功率型锂电池比功率需超过4000W/kg的发展目标。为满足市场需求，提高电池性能与安全性，缩短新体系研发周期，开展锂电池失效分析显得尤为重要。锂离子电池的失效分析涵盖多个方面，包括性能失效与安全性失效的分类及其原因的深入探讨。为提升锂离子电池的整体性能与安全性，建议在电池设计、材料选择、制造工艺及使用管理等环节加强控制与优化。同时，针对已发生的失效现象，开展更系统的研究，将推动锂离子电池技术的进步，满足现代社会对高性能与安全性电池的需求。失效不仅是失效原因的最终体现，也是失效原因在一定时间内叠加形成的结果。失效分析的一项重要任务是准确判断失效原因。
常见的锂电池失效原因包括活性物质结构变化、相变、活性颗粒裂纹或破碎、过渡金属溶出、体积膨胀、固体电解质界面膜（SEI）过度生长、SEI分解、锂枝晶生长、电解液分解或失效、电解液不足、电解液添加剂不匹配、集流体腐蚀或溶解、导电剂失效、胶黏剂失效、隔膜老化、隔膜孔隙阻塞、金属异物溶解析出、电芯设计异常及分容老化过程异常等。
失效分析分为两个方向: 其一为基于锂电池失效的诊断分析, 是以失效为出发点, 追溯到电池材料的失效机理, 以达到分析失效原因的目的; 其二为基于累积失效原因数据库的机理探索分析, 是以设计材料的失效点为出发点, 探究锂电池失效发生过程的各类影响因素, 以达到预防为主的目的。
锂离子电池自放电之内短路失效故障树
锂电池的衰减是从材料开始的，因此对于锂离子电池的衰减机理研究，需要分离出电芯中每一组分的具体改变，从基础原材料层面进行分析表征，表征其在循环过程中的变化，再与宏观的电池性能建立起对应的联系，从而深入理解电芯失效的机理。而对于材料的分析，首先从电池组成的主材，阴极，阳极，电解液开始。以阴极为例，从组成阴极的活性物质材料的原子级别逐层上升至极片水平表征，对参数如晶体结构，比表面积，极片压实密度，Coating重量，Binder含量进行详细系统的考察。对于不同层级的不同参数的表征需要涉及到不同的表征方法，如果要得到全面的准确的信息，需要将各表征结果结合起来，作为一个系统进行分析。其中，需要一套完整的电池样品处理和图像采集方案来解决这些锂离子电池失效分析中成像表征遇到的困难。
为了进一步厘清锂离子电池失效分析的一些关键问题，赛默飞世尔科技携手仪器信息网将于2024年11月13日（14:00-16:20）举办“先进表征分析技术助力锂离子电池失效分析研讨会”（线上直播），本次大会邀请了赛默飞世尔科技清洁能源市场和业务开发总监Brandon Van Leer和中国区业务拓展领导吴伟致辞，并邀请中科院物理所王雪锋研究员、工业界资深专家曹福彪，赛默飞世尔科技清洁能源市场和业务开发总监Brandon Van Leer，以及赛默飞业务拓展经理孙秀荣和市场应用开发经理郝维慧进行4场专题报告。
王雪锋
中国科学院物理研究所特聘研究员、
博士生导师
冷冻电镜技术分析锂离子电池失效机制
专家简介
主要从事高能量密度二次电池(锂离子电池、金属锂电池和全固态电池等)关键材料结构和界面表征、机理研究和失效分析，尤其擅长采用冷冻电镜技术研究辐照敏感材料。至今已在Nature、Nature Materials、Chemical Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Journal of American Chemical Society、Nano Letter、Nano Energy等国际知名学术期刊上发表学术论文70余篇，引用5000余次。
代表性成果包括
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在国际上率先将结构生物领域中的冷冻电镜技术引入到二次电池领域，研究了辐照敏感的电池材料及其界面的微观结构，尤其是备受关注的石墨、硅和金属锂负极，从而成功地联接了结构修饰、性能改善和条件控制等环节；
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结合化学滴定和气相质谱，开发了准确区分和定量活性/非活性金属锂和锂-硅合金，揭示了固体电解质界面SEI膜的结构、成分、演变及其与活性物质的相互作用，并提出界面改性等策略以提高金属锂和锂-硅合金的电化学可逆性；
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采用多种表征手段解析全固态电池的界面问题，分析了复杂界面对电荷转移、离子输运、机械性能、安全性能和电化学性能的影响，指出界面调控和修饰是提高全固态电池性能的关键。
Brandon Van Leer
赛默飞世尔科技清洁能源市场和业务开发总监
成像分析表征技术在锂离子电池失效分析中的应用
Understanding battery failures with optimized imaging and analysis techniques
专家简介
Brandon 的专业背景主要集中在材料表征以及电子材料和聚合物的开发领域。他在各种分析技术方面拥有超过二十七年的丰富经验，并且在扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）研究方面有超过二十年的深入探索。Brandon目前专注于惰性气体样品转移工作流程和冷冻等离子体聚焦离子束-扫描电子显微镜（PFIB）在空气敏感和电子束辐照敏感材料中的应用。同时，他也是 MSA、MRS 和 IEEE 的成员。
内容前瞻
锂离子电池的失效分析过程以锂电池失效为出发点，根据电池的失效现象，对电池进行电池外观检测、电池无损检测、电池有损检测以及综合分析。所谓电池有损检测是指通过电池拆解、极片观察及材料测试分析来确定正负极片、活性材料以及隔膜等因素在电池失效中的作用。采用多模式、多尺度成像技术准确表征失效电池材料和极片对于电池失效分析不可或缺，而其中：
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准确定位电芯失效位点，对其内部从二维到三维，从极片尺度到原子尺度的结构信息进行深入解析；
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在本真状态下对失效电池的极片和材料尺度的结构信息进行表征；
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获得具有统计意义的结构信息量化结果，实现从图像到数据的转化。
是电池工作者对电池进行失效机制的分析中遇到的挑战。赛默飞致力于提供全面的锂离子电池成像和表征解决方案是学术界和工业领域开发更优电池的无可替代的工具。
曹福彪
锂电工业专家
锂离子电池失效分析流程及常见失效模式解析
专家简介
拥有多年在消费、动力和储能电池研发与管理方面的丰富经验，曾在多家主流新能源电池企业及主机厂担任资深工程师、研发经理、总监、大区经理等职务，并主持和参与了多项国家及省部级电池研究项目。具备插电式混合动力、纯电动、储能电池及消费电池的全面研发和量产导入经验。成功开发了国内首款量产三元42Ah PHEV2动力电池、超高速叠片全系三元铁锂电池、超快速5C动力电池，以及能量密度高达360Wh/kg的车用量产半固态电池和快充电池，其快充速度可达到6C。所领导开发的电池产品已广泛应用于苹果、宝马、长城、吉利、蔚来以及国内大型储能客户。
内容前瞻
失效现象的范围通常会与失效模式的范围有所重叠。失效现象更侧重于对具体现象的直接描述，属于对失效过程的信息收集和记录；而失效模式则通常被理解为失效的性质和类型，是对失效的一种归类和划分。锂电池的失效现象是电池失效表现的一个重要集合，对其进行准确的定义和分类是十分必要的。这不仅有助于更好地理解电池失效的根本原因，还能为改进电池设计和提高其可靠性提供重要依据。
在锂电池的失效分析中，常见的失效现象包括但不限于容量衰减、内阻增加、热失控、短路和电解液降解等。这些现象的背后，往往隐藏着复杂的物理和化学变化。例如，容量衰减可能与电极材料的循环稳定性有关，而内阻增加则可能是由于电解液的分解或电极表面形成了不导电的固体电解质界面膜（SEI）。热失控现象则可能源于电池内部的局部短路或外部环境温度过高，导致电池材料发生剧烈的放热反应。
通过对这些失效现象的深入研究，能够揭示出锂电池在实际应用中的潜在风险和性能瓶颈。这就需要运用多种先进的分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和电化学阻抗谱（EIS）等。这些技术可以提供关于电池内部结构变化、材料相变、电化学反应动力学等方面的详细信息，从而帮助研究人员更准确地识别和定位失效原因。
孙秀荣
赛默飞世尔科技业务拓展经理
郝维慧
赛默飞世尔科技清洁能源应用市场开发经理
扫描电镜和双束电镜助力锂离子电池失效分析
专家简介
孙秀荣，毕业于北京科技大学材料学专业，研究课题专注于金属材料相关。拥有近10年的电镜相关使用经验（SEM/SDB、EDS、EBSD、CP等），擅长材料微观形貌、成分、结构表征分析，对各种类型样品的表征分析具有丰富的经验和心得，目前主要从事扫描电镜和双束电镜的市场拓展工作。
郝维慧，于2016年在中南大学获得材料科学硕士学位，并在同一所大学获得了学士学位。在锂离子电池行业的材料表征和失效分析方面拥有丰富的经验，曾在全球领先的公司锂电公司和消费类电子产品公司担任材料分析和失效分析工程师。对于成像表征技术，如TEM、FIB-SEM、SEM和CT，在电池的研究、质量控制和失效分析应用有丰富的经验和深入的理解。
内容前瞻
从材料制备到产品使用的过程充满着可变性、复杂性， 因此对锂电池失效分析不能仅局限于电池关键材料的失效，同时要对材料结构、电极结构、制造流程和失效表现等进行综合考虑。赛默飞的扫描电镜和双束电镜技术在原材料质控和工艺过程监控及成品失效分析中提供了多种成像分析表征方案。
“工欲善其事，必先利其器”。将锂电池失效分析之逻辑与电子显微镜表征技术相结合，必能激发新的火花。此结合不仅可深入揭示电池材料与结构之退化机制，亦能为优化电池设计与制造工艺提供珍贵见解，从而提升电池之性能与可靠性。
却顾所来径，苍苍横翠微。
历史表明，每一次电镜技术的发展，都为某个研究领域带来一次深刻的变革。也注定了要为锂离子电池的发展开启新的窗户。
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