锂离子电池失效表现及失效机理

在当今科技主导的时代，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等诸多优势，成为各类便携式电子设备、电动汽车以及储能系统的核心动力源。然而，随着使用时间的推移和充放电循环次数的增加，锂离子电池不可避免地会出现失效现象，这不仅影响设备的正常运行，还可能对使用安全构成威胁。深入探究锂离子电池的失效表现及失效机理，对于延长电池使用寿命、提升电池性能以及推动电池技术的创新发展具有重要意义。

锂离子电池的失效表现

容量衰减

容量衰减是锂离子电池失效最为直观的表现。随着充放电循环的进行，电池能够存储和释放的电荷量逐渐减少，导致设备的续航能力明显下降。在智能手机中，新电池在充满电后可能支持一整天的正常使用，但经过数百次充放电循环后，电量可能在半天甚至更短时间内就耗尽。这种容量衰减是一个渐进的过程，初期可能不太明显，但随着循环次数的增加，衰减速度会逐渐加快。研究表明，当锂离子电池的容量衰减至初始容量的 80% 左右时，其性能已严重下降，难以满足设备的正常使用需求。

内阻增加

内阻增加也是锂离子电池失效的重要特征。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜以及电池的连接件等的电阻组成，极化内阻则是由于电池在充放电过程中发生的电化学反应引起的。随着电池使用时间的增长，内阻会逐渐增大。内阻增加会导致电池在充放电过程中的能量损耗增加，表现为充电时电池发热严重，放电时电池输出电压降低。在电动汽车中，电池内阻的增加会使车辆的动力性能下降，加速变慢，同时续航里程也会进一步缩短。

电压异常

锂离子电池在正常工作时，其电压会随着充放电过程呈现出特定的变化规律。但当电池失效时，电压会出现异常现象。在充电过程中，电池电压可能无法达到正常的截止电压，或者在达到截止电压后迅速下降;在放电过程中，电池电压可能会过早地降至截止电压以下，导致设备提前关机。在一些储能系统中，若锂离子电池出现电压异常，可能会影响整个系统的稳定性，甚至引发故障。

锂离子电池的失效机理

电极材料老化

锂离子电池的电极材料在充放电过程中会发生结构和化学性质的变化，这是导致电池失效的主要原因之一。在正极材料方面，如常见的钴酸锂(LiCoO₂)、磷酸铁锂(LiFePO₄)等，随着充放电循环的进行，正极材料的晶体结构可能会发生坍塌、相变等现象，导致锂离子的嵌入和脱出变得困难，从而降低电池容量。在负极材料方面，以石墨为例，长期的充放电过程会使石墨的层状结构受到破坏，锂离子在石墨层间的存储能力下降，同时负极表面可能会形成一层不稳定的固体电解质界面(SEI)膜，进一步增加电池内阻，影响电池性能。

副反应发生

在锂离子电池内部，存在着多种副反应，这些副反应会消耗电池中的活性物质和电解液，导致电池失效。在充电过程中，当电池电压过高时，电解液可能会发生氧化分解反应，产生气体，如氧气、二氧化碳等，这些气体会在电池内部积聚，增加电池内部压力，甚至可能导致电池鼓包、爆炸。负极表面的 SEI 膜在电池充放电过程中也会不断发生变化，若 SEI 膜不稳定，会持续消耗锂离子和电解液，降低电池的库伦效率，加速电池容量衰减。

电池结构变化

随着充放电循环次数的增加，锂离子电池的内部结构也会发生变化。电极材料颗粒之间的接触电阻可能会增大，导致电子传输不畅;电解液在电池内部的分布可能会变得不均匀，影响离子传输效率。在电池长期使用过程中，电极可能会出现膨胀、收缩等现象，这会导致电极与隔膜之间的接触变差，甚至可能造成隔膜破损，引发电池内部短路，严重影响电池的安全性和使用寿命。

温度影响

温度对锂离子电池的性能和寿命有着显著影响。在高温环境下，电池内部的化学反应速率加快，副反应更加剧烈，导致电池容量衰减加速，内阻增大。高温还会使电解液的挥发加快，降低电解液的浓度，影响离子传输。在低温环境下，电解液的黏度增加，锂离子在电解液中的扩散速度变慢，电池的充放电性能受到严重影响，电池容量也会大幅下降。长期在极端温度环境下使用锂离子电池，会加速电池的失效进程。

锂离子电池的失效表现包括容量衰减、内阻增加和电压异常等，而失效机理则涉及电极材料老化、副反应发生、电池结构变化以及温度影响等多个方面。为了提高锂离子电池的性能和使用寿命，需要从电池材料研发、电池结构设计、电池管理系统优化等多方面入手，采取有效的措施抑制电池失效。在未来，随着对锂离子电池失效机理研究的不断深入，有望开发出更加先进、可靠的锂离子电池技术，满足日益增长的能源需求，推动电子设备、电动汽车等行业的可持续发展。