Анализ на корозионните механизми в литиево-железни клетки с-алуминиева обвивка: Подобряване на безопасността и дълголетието

С бързото развитие на производството на нови енергийни превозни средства, системи за съхранение на енергия и потребителска електроника, изискванията за безопасност, енергийна плътност и жизнен цикъл на литиево-йонните батерии непрекъснато се повишават. Благодарение на тяхната отлична механична якост, лек характер и превъзходни възможности за разсейване на топлината, алуминиевите корпуси се превърнаха в ключово решение за опаковане на много батерии за захранване и съхранение на енергия. По-специално, алуминиевите корпуси се използват широко в призматичните батерии, осигурявайки надеждна структурна защита и термично управление на батерийните клетки.

 

В сравнение с торбичките и някои цилиндрични дизайни на батерии, батериите с алуминиев -корпус предлагат превъзходна устойчивост на удар и стабилност на размерите. Особено при батерийни системи с голям-капацитет, алуминиевите корпуси ефективно подобряват цялостната твърдост на клетките и намаляват риска от деформация, причинена от външен механичен стрес по време на транспортиране и работа; следователно те се използват широко в железопътния транспорт, съхранението на енергия и новите енергийни превозни средства.

 

При нормални работни условия върху повърхността на алуминиевия корпус се образува плътен и стабилен оксиден пасивиращ слой. Този защитен филм ефективно предотвратява директния контакт между металния субстрат и външната среда, като по този начин повишава устойчивостта на корозия. За алуминиевите корпуси, използвани в литиево-полимерни батерийни клетки, целостта на този пасивиращ слой е пряко свързана с дългосрочната-надеждност и експлоатационен живот на корпуса на батерията.

 

Допълнителен анализ с помощта на енерго{0}}дисперсионна спектроскопия (EDS) разкри, че докато непокътнатият корпус се състои предимно от алуминий, корозиралите зони съдържат значителни количества кислород и въглерод. Това показва, че процесът на корозия включва образуването на нови продукти на химична реакция и сложни електрохимични промени.

 

Анализът с рентгенова дифракция (XRD) показа, че продуктите на корозията се състоят главно от литиев карбонат и малки количества литиево-алуминиеви съединения. Това предполага, че при определени условия литиевите йони участват в химични реакции на повърхността на корпуса. В случай на корпуси на призматични литиеви батерии, ако се образува електрическа връзка между отрицателния електрод и корпуса, литиевите йони могат за предпочитане да мигрират към корпуса и да претърпят реакция на интеркалиране.

 

Механично, алуминиевата метална решетка притежава структурна конфигурация, която побира интеркалирането на литиеви йони. Когато отрицателният електрод влезе в пряк контакт с корпуса, някои литиеви йони могат да навлязат в алуминиевата решетка, за да образуват литиево-алуминиеви съединения. Докато реакцията протича, на повърхността на корпуса се образуват междинни продукти като литиев оксид и литиев хидроксид; това е основната причина, поради която корозиралите проби показват отчетлива алкалност.

 

С напредването на корозията тези литиеви съединения реагират с атмосферния въглероден диоксид, като в крайна сметка произвеждат значителни отлагания на литиев карбонат. За корпусите на литиево-железен фосфат (LFP) батерии такива отлагания не само компрометират структурната цялост на корпуса, но също така ускоряват консумацията на електролит и увеличават вътрешния импеданс, което води до непрекъснато влошаване на капацитета на батерията.

 

 

Освен самите химични реакции, промените в потенциала на корпуса са критичен фактор, влияещ върху корозията. Изследванията показват, че докато се поддържа значителна потенциална разлика между корпуса и отрицателния електрод в здрава клетка, тази разлика пада почти до нула в клетки, подложени на корозия. За литиево-йонни клетки с алуминиеви корпуси ниската потенциална разлика често сигнализира за повреда в изолационната система, като по този начин създава условия, които позволяват протичането на корозионната реакция.

 

От гледна точка на производството, ключът към предотвратяването на корозия се крие в подобряването на надеждността на изолацията на корпуса. Производствените процеси за алуминиеви корпуси трябва стриктно да контролират размерите на електродите, толерансите на размерите и позиционирането на монтажа; едновременно с това изолационните конструкции в областта на щифта трябва да бъдат подсилени, за да се предотврати директен контакт между отрицателния електрод и корпуса. Освен това трябва да се създадат стабилни механизми за наблюдение на потенциала на обвивката и продукти за скрининг, за да се идентифицират клетки с потенциални рискове на възможно най-ранен етап.

 

В обобщение, корозията на алуминиевия корпус е фундаментално сложен електрохимичен процес, задвижван от необичаен контакт между отрицателния електрод иАлуминиев корпус на батерията, което предизвиква верижна реакция, включваща интеркалиране на литиеви йони в металния алуминий. Тъй като батериите с висока-енергийна-плътност се развиват, оптимизирането на материалите на алуминиевите корпуси, надграждането на изолационните структури и непрекъснатият напредък в-технологиите за инспекция в линията ще бъдат от решаващо значение за повишаване на безопасността, надеждността и експлоатационния живот на литиево-йонните батерии.