Mechanizmy korózie, poruchové režimy a stratégie systematickej ochrany pre hliníkové -lítium-iónové{1}}pláštené batérie

Korózia hliníkových krytov batérií sa primárne kategorizuje do dvoch typov: vonkajšia korózia a vnútorná korózia. Vonkajšia korózia pramení z vystavenia batérie korozívnym látkam-ako sú kyseliny a zásady (napr. dažďová voda alebo čistiace prostriedky)-počas skladovania alebo prevádzky, ktoré priamo narúšajú povrch hliníkového krytu. Vnútorná korózia je naopak zákernejšia a potenciálne nebezpečnejšia; jeho hlavná príčina spočíva v interkalácii lítia do hliníkovej štruktúry za špecifických elektrochemických podmienok. Keď potenciál hliníkového puzdra klesne na hodnotu medzi 0,2 a 0,4 V (v porovnaní s Li/Li+), ióny Li+ interkalujú do kryštálovej mriežky hliníka za vzniku intermetalických zliatin, ako sú LiAl a Li3Al2.

Tento proces vyvoláva expanziu mriežky a praskanie, čo v konečnom dôsledku spôsobí rozdrvenie hliníka, stratu kovového lesku a vytvorenie poréznej koróznej vrstvy. Tento degradačný proces je typicky spúšťaný náhodným skratom medzi zápornou elektródou a hliníkovým puzdrom.

Aby došlo k vnútornej korózii, musia byť súčasne splnené tri podmienky: prítomnosť elektrónovej dráhy, iónovej dráhy a korozívneho potenciálu. Z nich je cesta iónov (zabezpečená elektrolytom) nevyhnutná; preto blokovanie elektrónovej dráhy a kontrola potenciálneho rozdielu tvoria základné stratégie prevencie korózie. V štandardných prevedeniach zabezpečuje hliníkové puzdro prizmatického článku batérie úplnú elektrickú izoláciu medzi zápornou elektródou a puzdrom pomocou izolačných materiálov (ako sú izolačné fólie alebo tesnenia vrchného-krytu).

Ak sa však záporná elektróda dostane do kontaktu s vnútornou stenou puzdra-či už v dôsledku výrobných chýb (napr. nadmerne dlhé jazýčky elektród, posunuté izolačné lepidlá alebo zlé zapuzdrenie vinutia) alebo vonkajšieho mechanického poškodenia-, napätie medzi zápornou elektródou a puzdrom sa priblíži k 0 V, čím sa vytvoria nevyhnutné podmienky pre lítiovú koróziu-. Experimentálne štúdie preukázali, že po niekoľkých cykloch nabíjania-vybitia sa u takýchto poškodených batérií často vyskytujú perforácie a únik elektrolytu v blízkosti ventilu proti výbuchu-.

Okrem toho, vonkajšie skraty predstavujú rovnako významné riziko. Ak vonkajší povrch krytu batérie vytvorí vodivú cestu k zápornému pólu-v dôsledku zvyškového elektrolytu alebo kontaktu s vonkajšími kovovými predmetmi (ako sú testovacie prípravky alebo drôty)-, môže sa podobne znížiť napätie krytu do rozsahu korozívneho potenciálu. Výskum naznačuje, že batérie s počiatočným napätím puzdra 1–2 V, keď sú vystavené cyklom nabíjania{6}}vybíjania po vytvorení umelého skratu so záporným pólom, rýchlo vykazujú známky korózie hliníkového obalu. Na úrovni batériovej sady (PACK), ak sa hliníkové kryty priľahlých jednotlivých článkov dostanú do elektrického kontaktu, zmení to rozloženie potenciálu v celom sériovom obvode. To môže spôsobiť, že napätie plášťa konkrétnych jednotlivých článkov abnormálne klesne-alebo sa dokonca stane záporným{10}}, čím sa spustí lokalizovaná korózia. Napríklad v trojčlánkovej batérii môže skrat medzi hliníkovým krytom prvého a posledného článku spôsobiť pokles napätia na kryte koncového článku na -1,5 V, čím sa urýchli jeho zlyhanie.

Netreba zabúdať ani na environmentálne faktory. Ak je batéria s hliníkovým-plášťom určená pre nové energetické vozidlá ponorená do slabo kyslej vody (pH ≈ 5), napätie v puzdre sa ťažko obnoví, dokonca aj po vysušení. Ak cykly nabíjania a vybíjania pokračujú v tomto ohrozenom stave, rýchlosť korózie sa výrazne zrýchli. K tomu dochádza, pretože prítomnosť vlhkosti zavádza ďalšie iónové cesty, zatiaľ čo ióny nečistôt katalyzujú elektrochemické reakcie. Čo je kritickejšie, v podmienkach nízkeho napätia na obale sa kovové lítium môže usadzovať priamo na povrchu hliníkového obalu, čo ďalej zhoršuje koróziu zliatiny.

Vplyv korózie na výkon batérie sa prejavuje oneskorene. Počas počiatočnej fázy (napr. prvých 400 cyklov) sa zachovanie kapacity nabíjateľnej batérie v hliníkovom -tete zdá byť na nerozoznanie od normálnej, nekorodovanej jednotky; avšak ako postupuje cyklovanie, aktívne lítium sa kontinuálne spotrebúva v lítiačných reakciách vyskytujúcich sa na hliníkovom obale, čo vedie k nevratnej strate aktívneho materiálu na katóde. Po 1 500 cykloch môže uchovanie kapacity skorodovanej batérie klesnúť z 88 % až na 60 %. Pokiaľ ide o rýchlosť vybíjania, nie sú pozorované žiadne významné rozdiely pri rýchlosti vybíjania pod 5 °C; avšak pri vysokých rýchlostiach vybíjania nad 10C sa vnútorný odpor skorodovanej batérie zvyšuje, čo vedie k výraznému zhoršeniu výkonu.