리튬 이온 배터리의 고장 분석 및 고장 메커니즘 개요

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1SEI 필름의 생성과 성장은 상업용 리튬 이온 배터리 시스템에서 발생하며, 배터리 용량 손실 부분은 흑연과 유기 전해질 간의 부작용에서 비롯되며, 흑연은 리튬 이온 유기 전해질과 쉽게 전기 화학적으로 반응하며, 특히 용매는 비닐 카보네이트(EC)와 디메틸 카보네이트(DMC)입니다. 리튬이온 전지는 첫 번째 충전 단계(단계)에 음극 전해액과 리튬이온 전해액이 충돌하여 흑연 표면에 고체 전해질 계면(SEI) 필름 층이 형성되어 비가역 용량의 일부가 발생할 수 있습니다. SEI 필름은 이온의 전달을 보장하는 동시에 반응성 물질을 보호하고, 전지 활물질의 작동 안정성을 저해하는 동시에 활물질의 산화를 방지하는 역할을 합니다.

그러나 배터리의 후속 사이클 동안 전극 재료의 지속적인 팽창과 수축으로 인해 새로운 활성 부위가 노출되기 때문에 지속적인 손실 고장 메커니즘이 발생할 수 있습니다. 즉, 배터리의 용량이 지속적으로 낮아집니다. 이러한 실패 메커니즘은 전극 표면의 전기화학적 환원 과정에 기인할 수 있으며, 이는 SEI 필름 두께의 지속적인 증가로 표현됩니다. 따라서 SEI 필름의 화학성분과 형태에 대한 연구는 리튬이온전지의 용량과 출력 저하의 원인을 더욱 심층적으로 파악할 수 있다.

SEI 필름 형성 과정 최근 몇 년 동안 연구자들은 소형 배터리 시스템의 분해 실험을 통해 SEI 멤브레인의 특성을 연구하려고 노력했습니다. 배터리 분해 과정은 에어로졸 불활성 가스 글러브 박스에서 수행됩니다( <5 ppm). After the battery is disassembled, it can pass a nuclear magnetic resonance technology (NMR), a flight time secondary ion mass spectrometry (TEMS), a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), an atomic force microscope (AFM), X-ray absorption spectrum (XAF), and Infrared (FTIR) and Raman Spectroscopy and other test methods study the thickness, morphology, composition, growth process and mechanism of SEI membranes.

SEI 필름을 특성화하는 데 많은 시험 방법이 사용되었지만, 배터리에서 성장하는 SEI 필름의 실제 모델은 더욱 진보적이고 직접적인 방법을 특성화하는 데 사용됩니다. 어려운 점은 SEI 필름이 유기물, 무기물 등 다양한 물질로 복잡하게 구성되어 있고, 성분도 복잡하며, 매우 취약하고 환경에 대한 반응성이 높다는 점입니다. 부적절한 경우 SEI 필름의 실제 정보를 얻는 것이 어렵습니다.

SEI 필름이 두꺼워지는 것은 전형적인 전기화학적 기생 부반응이며, 이는 배터리의 반응 속도론, 물질 전달 과정 및 구조적 기하학과 밀접한 관련이 있습니다. 하지만 SEI 필름의 변화는 직접적으로 파괴적 고장으로 이어지지 않으며, 분해는 단지 배터리 내부 온도를 상승시킬 뿐이며, 이로 인해 분해 가스가 발생하고, 심한 열은 열 제어 불능을 일으킬 수 있습니다. FMMEA에서 SEI 필름의 형성과 성장은 손실 메커니즘으로 간주되며, 이로 인해 배터리 용량이 감소하고 내부 임피던스가 증가할 수 있습니다.

2. 리튬 덴드라이드는 배터리가 정격 전류보다 높은 전류 밀도로 빠르게 충전될 경우 생성되며, 음극 표면은 쉽게 금속 리튬 덴드라이드를 형성합니다. 이 수지상 결정은 다이어프램을 뚫기 쉽고, 배터리 내부에 단락을 일으킬 수 있습니다. 이런 상황은 배터리 파괴로 이어질 수 있으며, 배터리가 단락되기 전에는 감지하기 어렵습니다.

최근 몇 년 동안 연구자들은 리튬 덴드라이드의 성장 속도와 리튬 덴드라이트의 성장 속도와 리튬 덴드라이트의 리튬 이온 확산 용량 사이의 관계를 연구해 왔습니다. 실험 결과, 완전한 배터리 시스템에서는 리튬 델레그라의 성장을 감지하거나 관찰하기 어렵고, 현재 모델은 단일 시스템에서 리튬 수지가 성장하는 데 국한되어 있다는 것이 밝혀졌습니다. 실험 시스템에서는 석영 유리로 구성된 투명 배터리를 통해 리튬 수지가 성장하는 과정을 현장에서 관찰할 수 있습니다.

우리나라 수저우 나노기술 및 나노생체연구소의 장웨고노 연구원은 주사전자현미경(SEM) 기술을 이용해 리튬 수지상 결정의 형성 과정을 영상으로 보여주었습니다. 그러나 상업용 리튬-이온 배터리 시스템에서는 리튬 분기의 원래 관찰을 이루는 데 어려움이 있습니다. 보편적인 방법은 배터리를 분해하여 리튬 가지 결정을 관찰하는 것입니다.

하지만 리튬 가지의 활동성이 매우 높기 때문에 생성에 대한 세부적인 분석을 하는 것은 어렵습니다. 지어(Zier) 등 전극 구조를 염색하여 전극 전자 마이크로그램을 그려서 수상돌기의 위치를 ​​결정하는 것이 제안되었습니다.

배터리를 분해하기 전에 리튬 분기 결정의 생성으로 인해 내부 단락이 발생한 경우, 내부 단락의 큰 펄스 전류로 인해 리튬 분기 결정이 발생할 수 있으므로 수지상 결정의 이 부분을 관찰하는 것이 어려울 수 있습니다. 횡격막의 국소적 미세기공 폐쇄는 리튬 수지상 결정의 성장 위치를 ​​시사하지만, 이러한 부분은 부분적으로 과열되었거나 금속 불순물 오염 물질로 인해 발생할 수도 있습니다. 따라서 리튬 분기의 출현을 예측하기 위해 파손 모델을 더욱 개발하는 것과 동시에 다양한 작업 조건에서 수명과 파손 관계를 연구하는 것은 매우 의미가 있습니다.

3. 급속 충방전이나 전극 활물질의 분사 시 활물질 입자의 수분화가 불균일하여 활물질이 가루화되거나 파편화되기 쉽다. 일반적으로 배터리가 확장되면 마이크론 크기의 입자, 이온의 내부 응력이 파손될 수 있습니다. SEM을 통해 활물질 입자 표면의 초기 균열을 관찰할 수 있습니다.

리튬 이온이 반복적으로 침투함에 따라 균열은 끊임없이 확장되고, 그 결과 입자가 갈라지는 현상이 발생합니다. 균열 입자는 새로운 활성 표면을 노출시키고, 새로운 표면에 SEI 필름이 생성됩니다. 리튬 이온 매립 응력에 대한 연구와 분석을 통해 더 나은 배터리 전극 소재를 설계합니다.

크리스텐슨과 뉴먼 외 최초의 리튬 이온 매립 응력 모델을 개발하였고, 다른 연구자들은 다양한 재료, 재료의 기하학적 형태 및 재료를 확장해 왔습니다. 이온 포함 응력 모델은 연구자들이 더욱 활성적인 물질을 설계하는 데 도움이 될 것입니다.

그러나 활물질 입자의 용량 및 전력 손실에 대한 연구가 더욱 진행되고 있으며, 입자 파편화로 인한 파괴 메커니즘을 종합적으로 예측하여 리튬 이온 배터리의 수명을 예측하고 있습니다. 전극 물질의 부피 변화로 인해 활성 물질이 전류 집전체에서 방출되어 활성 물질의 이 부분을 사용할 수 없게 될 수도 있습니다. 리튬 활물질의 인코네이티드 공정은 배터리 내부에서 이온 이동과 외부 전자 이동을 수반합니다.

전해질은 전자적으로 절연되어 있으므로 이온만 공급될 수 있습니다. 전자의 전도는 전도성 물질에 의해 전극 표면에 구성된 전도성 네트워크에 중요합니다. 전극 물질의 부피가 자주 바뀌면 전도성 네트워크에서 일부 활성 물질이 생성되어 고립된 시스템이 형성될 수 있는데, 이는 사용할 수 없습니다.

전극 구조의 변화는 다공성이나 비표면적 등의 방법을 측정하여 측정할 수 있습니다. 이 공정은 초점 이온 빔(FIB)을 사용하여 전극 표면을 밀링하거나, SEM을 사용하여 형태학적 관찰을 수행하거나, SEM을 사용하여 X-선 단층 촬영 검사를 수행하는 방식으로도 밀링할 수 있습니다. Si 음극 재료를 세척하여 전도성 네트워크에서 분리합니다.

양극활물질의 양극활물질은 대부분 전이금속산화물, 예를 들면 리튬코발테이트(LiMn2O4)나 폴리아네이트리튬염, 리튬철인산(LifePo4) 등이다. 대부분의 긍정적 활성 물질은 내재된 반응 메커니즘이며, 그들의 스트레스 메커니즘과 후퇴 메커니즘은 대부분 과립의 낙하와 위에서 설명한 활성 물질에 대한 설명에 기인합니다. SEI 피막은 양극 표면에 의해서도 생성되고 영향을 받지만 양극 표면은 전위가 높아 SEI 피막이 매우 얇고 안정적이다.

또한 양극재는 특히 배터리가 과도하게 충전될 경우 내부 열 발생의 영향을 받기 쉽습니다. 충전 시에는 전해액이 고압 하에서 불안정해져 전해액과 양극 활물질이 반응하여 배터리 내부 온도가 계속 상승하고, 양극 물질이 산소를 방출하게 됩니다. 더 이상 업그레이드하면 열 제어가 불가능해지고, 배터리가 파손되어 고장이 발생합니다.

사전 충전 중에 발생하는 양극 물질은 가스크로마토그래피를 통해 분석하여 X선 스펙트럼 검출을 통해 전극 물질 구조를 분석 또는 검출할 수 있다. 하지만 현재로선 과충전으로 인한 가스 오버플로로 인해 배터리 내부가 어떻게 고장 나는지 예측할 수 있는 고장 모델은 없습니다. 요약: 리튬이온 전지 양극 및 음극재의 파손 메커니즘 모드는 SEI 막의 분해, 리튬 위임 결정 또는 구리프린 결정의 생성, 활물질 입자의 분말 및 열분해 가스 등에 중요합니다.

그 중 리튬 유도체나 구리 유도체가 생성되는데, 이는 셀의 열적 제어 불능으로 인해 물질 분해 가스가 쉽게 발생하여 배터리의 연소를 일으키고 심지어 폭발하기도 합니다. 리튬이온 배터리의 고장은 페이드모드를 통해 분석되며, 배터리의 재료 및 구조를 최적화하여 메커니즘을 최적화하고, 배터리의 환경 적응성, 신뢰성 및 안전성을 향상시킵니다. 그러므로 배터리의 생산과 실제 적용에 있어서 매우 중요한 지침적 의의가 있습니다.