Corrosion Mechanisms, Failure Modes, and Systematic Protection Strategies for Aluminum-Cased Lithium-Ion Batteries

Корозија кућишта алуминијумских батерија је првенствено категорисана у две врсте: спољна корозија и унутрашња корозија. Спољна корозија потиче од изложености батерије корозивним супстанцама-као што су киселине и алкалије (нпр. кишница или средства за чишћење)-током складиштења или рада, што директно еродира површину алуминијумског кућишта. Унутрашња корозија је, обрнуто, подмуклија и потенцијално опаснија; његов основни узрок лежи у интеркалацији литијума у ​​алуминијумску структуру под специфичним електрохемијским условима. Када потенцијал алуминијумског кућишта падне на између 0,2 и 0,4 В (у односу на Ли/Ли⁺), јони Ли⁺ се интеркалирају у алуминијумску кристалну решетку и формирају интерметалне легуре као што су ЛиАл и Ли₃Ал₂.

Овај процес индукује ширење и пуцање решетке, што на крају доводи до прскања алуминијума, губитка металног сјаја и формирања порозног слоја корозије. Овај процес деградације се обично покреће случајним кратким спојем између негативне електроде и алуминијумског кућишта.

Да би дошло до унутрашње корозије, морају се истовремено испунити три услова: присуство електронског пута, јонског пута и корозивног потенцијала. Од њих, јонски пут (који обезбеђује електролит) је неизбежан; стога, блокирање пута електрона и контрола разлике потенцијала представљају кључне стратегије за превенцију корозије. У стандардним дизајнима, алуминијумско кућиште призматичне ћелије батерије обезбеђује потпуну електричну изолацију између негативне електроде и кућишта коришћењем изолационих материјала (као што су изолационе фолије или заптивачи горњег-поклопца).

Међутим, ако негативна електрода дође у контакт са унутрашњим зидом кућишта-било да се ради о грешкама у производњи (нпр. претерано дугачки језичци електроде, померени изолациони лепкови или лоша инкапсулација намотаја) или спољашњем механичком оштећењу-напон између негативне електроде и кућишта тамо ће се приближити литијуму стварајући потребне услове за 0 В, {5} корозија. Експерименталне студије су показале да, након неколико циклуса пуњења{7}}пражњења, такве угрожене батерије често показују перфорације и цурење електролита у близини вентила отпорног на експлозију{8}}.

Штавише, спољни кратки спојеви представљају подједнако значајан ризик. Ако спољна површина кућишта батерије успостави проводљив пут до негативног терминала-због заосталог електролита или контакта са спољним металним предметима (као што су испитни елементи или жице)-, то може на сличан начин смањити напон кућишта у опсег корозивног потенцијала. Истраживања показују да батерије са почетним напоном кућишта од 1–2 В, када се подвргну циклусима пуњења{6}}пражњења након што се успостави вештачки кратки спој са негативним терминалом, брзо показују знаке корозије алуминијумског кућишта. На нивоу батерије (ПАЦК), ако алуминијумска кућишта суседних појединачних ћелија дођу у електрични контакт, то мења расподелу потенцијала у целом серијском колу. Ово може да изазове абнормално низак напон кућишта одређених појединачних ћелија-или чак да постане негативан-и тиме изазове локализовану корозију. На пример, у батеријском пакету са три{12}}ћелије, кратки спој између алуминијумског кућишта прве и последње ћелије може да изазове пад напона кућишта терминалне ћелије на -1,5 В, чиме се убрзава њен квар.

Не смеју се занемарити ни фактори животне средине. Ако се батерија са алуминијумским-кућиштем дизајнирана за возила нове енергије потопи у слабо киселу воду (пХ ≈ 5), напон кућишта остаје тешко да се потпуно поврати, чак и након сушења. Ако се циклуси пуњења и пражњења наставе у овом компромитованом стању, брзина корозије се значајно убрзава. Ово се дешава зато што присуство влаге уводи додатне јонске путеве, док нечистоће јоне катализују електрохемијске реакције. Још критичније, у условима ниског напона кућишта, метални литијум може директно да се таложи на површину алуминијумског кућишта, додатно погоршавајући корозију легуре.

Утицај корозије на перформансе батерије показује одложени ефекат. Током почетне фазе (нпр. првих 400 циклуса), задржавање капацитета пуњиве батерије у алуминијумском{4}}кућишту изгледа да се не разликује од оног код нормалне, некородиране јединице; међутим, како циклус напредује, активни литијум се континуирано троши у реакцијама литирања које се дешавају на алуминијумском кућишту, што доводи до неповратног губитка активног материјала на катоди. Након 1.500 циклуса, задржавање капацитета кородиране батерије може пасти са 88% на чак 60%. У погледу перформанси брзине, нису примећене значајне разлике током протока испод 5Ц; међутим, при високим брзинама пражњења које прелазе 10Ц, унутрашњи отпор кородиране батерије се повећава, што доводи до значајног погоршања перформанси.