Аналіз механізмів корозії в алюмінієвих-літієво-залізних комірках: підвищення безпеки та довговічності

Зі швидким розвитком нових транспортних засобів, систем зберігання енергії та споживчої електроніки вимоги до безпеки, щільності енергії та терміну служби літій-іонних акумуляторів постійно зростають. Завдяки чудовій механічній міцності, легкій природі та чудовим можливостям розсіювання тепла алюмінієві корпуси стали ключовим рішенням для пакування багатьох акумуляторів живлення та енергії. Зокрема, алюмінієві корпуси широко використовуються в призматичних силових батареях, забезпечуючи надійний структурний захист і температурний контроль елементів батареї.

 

Порівняно з пакетними елементами та певними конструкціями циліндричних батарей, батареї в алюмінієвому-корпусі пропонують чудову ударостійкість і стабільність розмірів. Особливо в-батарейних системах із високою ємністю алюмінієві корпуси ефективно підвищують загальну жорсткість елементів і зменшують ризик деформації, спричиненої зовнішньою механічною напругою під час транспортування та експлуатації; отже, вони широко використовуються в залізничному транспорті, накопиченні електроенергії та застосуванні нових транспортних засобів.

 

У нормальних умовах експлуатації на поверхні алюмінієвого корпусу утворюється щільний і стійкий оксидний шар пасивації. Ця захисна плівка ефективно запобігає прямому контакту між металевою підкладкою та зовнішнім середовищем, тим самим підвищуючи стійкість до корозії. Для алюмінієвих корпусів, які використовуються в елементах літій-полімерної батареї, цілісність цього шару пасивації безпосередньо пов’язана з довгостроковою-надійністю та терміном служби корпусу батареї.

 

Подальший аналіз за допомогою енерго{0}}дисперсійної спектроскопії (EDS) виявив, що незважаючи на те, що непошкоджений корпус складається переважно з алюмінію, корозійні ділянки містять значну кількість кисню та вуглецю. Це свідчить про те, що процес корозії включає утворення нових продуктів хімічної реакції та складні електрохімічні зміни.

 

Рентгеноструктурний (XRD) аналіз показав, що продукти корозії складаються переважно з карбонату літію та незначної кількості сполук літію-алюмінію. Це свідчить про те, що за певних умов іони літію беруть участь у хімічних реакціях на поверхні корпусу. У випадку призматичних корпусів літієвих батарей, якщо між негативним електродом і корпусом утворюється електричне з’єднання, іони літію можуть переважно мігрувати в напрямку корпусу та піддаватися реакції інтеркаляції.

 

Механічно металева решітка алюмінію має структурну конфігурацію, яка вміщує інтеркаляцію іонів літію. Коли негативний електрод безпосередньо контактує з корпусом, деякі іони літію можуть увійти в алюмінієву решітку з утворенням сполук літію-алюмінію. Під час реакції на поверхні корпусу утворюються проміжні продукти, такі як оксид літію та гідроксид літію; це основна причина, чому корозійні зразки демонструють чітку лужність.

 

У міру розвитку корозії ці сполуки літію реагують з атмосферним вуглекислим газом, зрештою утворюючи значні відкладення карбонату літію. У корпусах літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів такі відкладення не тільки порушують структурну цілісність корпусу, але й прискорюють споживання електроліту та збільшують внутрішній опір, що призводить до постійного зниження ємності акумулятора.

 

 

Окрім самих хімічних реакцій, зміни потенціалу корпусу є критичним фактором, що впливає на корозію. Дослідження показують, що, незважаючи на те, що в здоровій комірці між корпусом і негативним електродом зберігається значна різниця потенціалів, у комірках, які піддаються корозії, ця різниця майже нульова. Для літій-іонних елементів з алюмінієвим корпусом низька різниця потенціалів часто сигналізує про збій у системі ізоляції, таким чином створюючи умови, які сприяють прогресуванню реакції корозії.

 

З точки зору виробництва, ключ до запобігання корозії полягає в підвищенні надійності ізоляції корпусу. Виробничі процеси для алюмінієвих оболонок повинні суворо контролювати розміри електродів, допуски на розміри та розташування збірки; одночасно, ізоляційні конструкції в області вкладки повинні бути посилені, щоб запобігти прямому контакту між негативним електродом і корпусом. Крім того, слід створити надійні механізми для моніторингу потенціалу оболонки та продуктів скринінгу, щоб ідентифікувати клітини з потенційними ризиками на якомога більш ранній стадії.

 

Підводячи підсумок, можна сказати, що корозія алюмінієвого корпусу є складним електрохімічним процесом, який обумовлений ненормальним контактом між негативним електродом іАлюмінієвий корпус акумулятора, що запускає ланцюгову реакцію за участю інтеркаляції іонів літію в металевий алюміній. Оскільки батареї з високою-енергетичною-щільністю розвиваються, оптимізація матеріалів алюмінієвих корпусів, модернізація ізоляційних конструкцій і постійний прогрес у-технологіях інспекції лінії будуть мати вирішальне значення для підвищення безпеки, надійності та терміну служби літій-іонних батарей.