Механизми на корозия, режими на повреда и стратегии за систематична защита за литиево-йонни батерии с алуминиева{0}}корпус

Корозията на корпуса на алуминиевите батерии се категоризира основно в два вида: външна корозия и вътрешна корозия. Външната корозия произтича от излагането на батерията на корозивни вещества-като киселини и основи (напр. дъждовна вода или почистващи препарати)-по време на съхранение или работа, което директно разяжда повърхността на алуминиевия корпус. Вътрешната корозия, обратно, е по-коварна и потенциално по-опасна; основната му причина се крие в интеркалирането на литий в алуминиевата структура при специфични електрохимични условия. Когато потенциалът на алуминиевата обвивка спадне до между 0,2 и 0,4 V (спрямо Li/Li⁺), Li⁺ йони се интеркалират в алуминиевата кристална решетка, за да образуват интерметални сплави като LiAl и Li3Al₂.

Този процес предизвиква разширяване и напукване на решетката, което в крайна сметка води до разпрашаване на алуминия, загуба на металния му блясък и образуване на порест корозионен слой. Този процес на разграждане обикновено се задейства от случайно късо съединение между отрицателния електрод и алуминиевия корпус.

За да възникне вътрешна корозия, трябва да бъдат изпълнени едновременно три условия: наличие на електронен път, йонен път и корозивен потенциал. От тях йонният път (осигурен от електролита) е неизбежен; следователно блокирането на пътя на електроните и контролирането на потенциалната разлика представляват основните стратегии за предотвратяване на корозия. В стандартните конструкции алуминиевата обвивка на призматична акумулаторна клетка осигурява пълна електрическа изолация между отрицателния електрод и обвивката чрез използването на изолационни материали (като изолационни филми или уплътнения на горния-капак).

Ако обаче отрицателният електрод влезе в контакт с вътрешната стена на корпуса-независимо дали поради производствени дефекти (напр. твърде дълги пластини на електрода, разместени изолационни лепила или лошо капсулиране на намотката) или външна механична повреда-напрежението между отрицателния електрод и корпуса ще се доближи до 0 V, като по този начин ще се създадат необходимите условия за литиева-интеркалационна корозия. Експериментални проучвания показват, че след няколко цикъла на зареждане-разреждане, такива компрометирани батерии често показват перфорации и изтичане на електролит в близост до взривозащитен-вентил.

Освен това външните къси съединения представляват също толкова значителен риск. Ако външната повърхност на корпуса на батерията създаде проводяща пътека към отрицателния извод-поради остатъчен електролит или контакт с външни метални предмети (като тестови приспособления или проводници)-това може по подобен начин да намали напрежението на корпуса до обхвата на корозионния потенциал. Изследванията показват, че батерии с първоначално напрежение на корпуса от 1–2 V, когато са подложени на цикли на зареждане-разреждане след установяване на изкуствено късо съединение с отрицателния извод, бързо показват признаци на корозия на алуминиевия корпус. На ниво батерия (PACK), ако алуминиевите корпуси на съседни отделни клетки влязат в електрически контакт, това променя разпределението на потенциала в цялата последователна верига. Това може да доведе до необичайно ниско напрежение на корпуса на конкретни отделни клетки-или дори да стане отрицателно-като по този начин задейства локализирана корозия. Например, в три-клетъчен батериен пакет, късо съединение между алуминиевите корпуси на първата и последната клетка може да доведе до спадане на напрежението на корпуса на крайната клетка до -1,5 V, като по този начин ускори нейния отказ.

Не трябва да се пренебрегват и факторите на околната среда. Ако батерия с алуминиев -корпус, предназначена за превозни средства с нова енергия, се потопи в слабо кисела вода (pH ≈ 5), напрежението на корпуса остава трудно за пълно възстановяване дори след изсушаване. Ако циклите на зареждане и разреждане продължат в това компрометирано състояние, скоростта на корозия се ускорява значително. Това се случва, защото наличието на влага въвежда допълнителни йонни пътища, докато примесните йони катализират електрохимичните реакции. По-критично, при условия на ниско напрежение на корпуса, металният литий може директно да се отложи върху повърхността на алуминиевия корпус, което допълнително влошава легиращата корозия.

Въздействието на корозията върху производителността на батерията показва забавен ефект. По време на началната фаза (напр. първите 400 цикъла), запазването на капацитета на презареждаемата батерия в алуминиев -корпус изглежда неразличимо от това на нормална, некорозирала единица; обаче, с напредването на цикъла активният литий непрекъснато се изразходва в реакциите на литиране, протичащи в алуминиевата обвивка, което води до необратима загуба на активен материал на катода. След 1500 цикъла, запазването на капацитета на корозирала батерия може да спадне от 88% до 60%. По отношение на производителността на скоростта не се наблюдават значителни разлики при скорости на разреждане под 5C; въпреки това, при високи скорости на разреждане, надвишаващи 10C, вътрешното съпротивление на корозиралата батерия се увеличава, което води до значително влошаване на производителността.