Mechanismy koroze, poruchové režimy a strategie systematické ochrany pro hliníkové-lithiové{1}}iontové baterie

Koroze hliníkových krytů baterií je primárně rozdělena do dvou typů: vnější koroze a vnitřní koroze. Vnější koroze pramení z vystavení baterie korozivním látkám-jako jsou kyseliny a zásady (např. dešťová voda nebo čisticí prostředky)-během skladování nebo provozu, které přímo erodují povrch hliníkového pouzdra. Vnitřní koroze je naopak zákeřnější a potenciálně nebezpečnější; jeho hlavní příčina spočívá v interkalaci lithia do hliníkové struktury za specifických elektrochemických podmínek. Když potenciál hliníkového pláště klesne na hodnotu mezi 0,2 a 0,4 V (vs. Li/Li+), ionty Li+ interkalují do hliníkové krystalové mřížky za vzniku intermetalických slitin, jako je LiAl a Li3Al2.

Tento proces vyvolává expanzi a praskání mřížky, což nakonec způsobí, že hliník se rozmělní na prášek, ztratí svůj kovový lesk a vytvoří porézní korozní vrstvu. Tento degradační proces je typicky spuštěn náhodným zkratem mezi zápornou elektrodou a hliníkovým pouzdrem.

Aby došlo k vnitřní korozi, musí být současně splněny tři podmínky: přítomnost elektronové dráhy, iontové dráhy a korozního potenciálu. Z nich je nevyhnutelná iontová dráha (poskytovaná elektrolytem); proto blokování elektronové dráhy a řízení rozdílu potenciálu tvoří základní strategie prevence koroze. U standardních konstrukcí zajišťuje hliníkové pouzdro prizmatického bateriového článku úplnou elektrickou izolaci mezi zápornou elektrodou a pouzdrem pomocí izolačních materiálů (jako jsou izolační fólie nebo těsnění horního-krytu).

Pokud se však záporná elektroda dostane do kontaktu s vnitřní stěnou pouzdra-, ať už kvůli výrobním vadám (např. příliš dlouhým poutkům elektrod, posunutým izolačním lepidlům nebo špatnému zapouzdření vinutí) nebo vnějšímu mechanickému poškození-, napětí mezi zápornou elektrodou a pouzdrem se přiblíží 0 V, čímž se vytvoří nezbytné podmínky pro lithiovou-korozi interkalu. Experimentální studie prokázaly, že po několika cyklech nabití-vybití tyto poškozené baterie často vykazují perforaci a únik elektrolytu v blízkosti explozivního- ventilu.

Stejně významné riziko navíc představují vnější zkraty. Pokud vnější povrch pouzdra baterie vytvoří vodivou cestu k zápornému pólu-v důsledku zbytkového elektrolytu nebo kontaktu s vnějšími kovovými předměty (jako jsou testovací přípravky nebo dráty)-, může podobně snížit napětí pouzdra do rozsahu korozního potenciálu. Výzkum ukazuje, že baterie s počátečním napětím pouzdra 1–2 V, když jsou vystaveny cyklům nabíjení-vybíjení po vytvoření umělého zkratu se záporným pólem, rychle vykazují známky koroze hliníkového pouzdra. Pokud se na úrovni bateriové sady (PACK) dostanou hliníkové kryty sousedních jednotlivých článků do elektrického kontaktu, změní to rozložení potenciálu v celém sériovém obvodu. To může způsobit, že napětí pláště konkrétních jednotlivých článků abnormálně klesne-nebo se dokonce stane záporným{10}}a tím vyvolá lokalizovanou korozi. Například u tříčlánkové baterie může zkrat mezi hliníkovým pláštěm prvního a posledního článku způsobit pokles napětí na plášti terminálového článku na -1,5 V, čímž se urychlí jeho selhání.

Nelze opomenout ani faktory prostředí. Pokud je baterie v hliníkovém-pouzdře určená pro nová energetická vozidla ponořena do slabě kyselé vody (pH ≈ 5), je obtížné plně obnovit její napětí, a to i po vysušení. Pokud cykly nabíjení a vybíjení pokračují v tomto ohroženém stavu, rychlost koroze se výrazně zrychluje. K tomu dochází, protože přítomnost vlhkosti zavádí další iontové cesty, zatímco ionty nečistot katalyzují elektrochemické reakce. Kritičtější je, že za podmínek nízkého napětí pouzdra se kovové lithium může přímo ukládat na povrch hliníkového pouzdra, což dále zhoršuje legovací korozi.

Vliv koroze na výkon baterie má zpožděný účinek. Během počáteční fáze (např. prvních 400 cyklů) se zachování kapacity dobíjecí baterie v hliníkovém -baterii zdá nerozeznatelné od normální nezkorodované jednotky; avšak jak postupuje cyklování, aktivní lithium se nepřetržitě spotřebovává v lithiačních reakcích probíhajících na hliníkovém plášti, což vede k nevratné ztrátě aktivního materiálu na katodě. Po 1 500 cyklech může retence kapacity zkorodované baterie klesnout z 88 % až na 60 %. Pokud jde o rychlostní výkon, nebyly pozorovány žádné významné rozdíly při rychlostech vybíjení pod 5C; avšak při vysokých rychlostech vybíjení přesahujících 10C se zvyšuje vnitřní odpor zkorodované baterie, což má za následek výrazné zhoršení výkonu.