锂离子电池的故障模式机理与影响分析

锂离子电池安全问题

然而，在给人们的生活、生产带来便利的同时，层出不穷的锂离子电池安全问题也成为了人们十分关心的焦点。例如2016年9月三星Galaxy Note 7电池爆炸事件，这使得多国特种主管部门、以及各特种公司对三星Galaxy Note 7下达飞行禁令后，三星紧急召回250万部手机，带来了极其负面的社会影响（图1（a））；

图1. (a) 电池爆炸后的三星Galaxy Note 7。

2013年7月，希思罗机场埃塞俄比亚特种波音787因飞机内锂电池短路而起火，造成飞机后部机身大面积烧毁；同年8月，特斯拉在法国比亚里茨对Model S和Model X两款电动汽车进行推广的试驾活动中，一辆Model S90D出现电池自燃，事后车辆完全被毁（图2（b））。

图2. (b) 起火的特斯拉Model S90D。

这些事件都说明了由锂离子电池失效所造成的损失是非常巨大而沉重的，因此，锂离子电池的使用安全性及可靠性是极其重要的。对锂离子电池进行故障模式机理与影响分析(FMMEA)能够提供一个严格的构架来定义什么样的锂离子电池是不合格的，如何去检测，怎样的过程可能会引起电池的失效，同时，提供锂离子电池的失效模式及预防措施。通过各个方面改进、预防、保护来保证锂离子电池的可靠性及安全性。

锂离子电池结构

从锂离子电池结构来说，主要分为以下五个部分组成，如图3所示：

（1）正极材料：电极电势较高、结构稳定的具有嵌锂能力的层状或尖晶石结构的过渡金属氧化物或聚阴离子型化合物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。

（2）负极材料：电位接近锂电位、结构稳定的并可大量储锂的层状石墨、金属单质及金属氧化物，如石墨、中间相碳微球、钛酸锂等。

（3）电解液：溶有电解质锂盐的有机溶剂，提供锂离子，电解质锂盐有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有机溶剂主要由碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲酯（DMC）等其中的一种或几种混合组成。

（4）隔膜：置于正负极之间，防止正负极直接接触，且允许Li+离子通过的聚烯微多孔膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），或它们复合膜，PP/PE/PP三层隔膜。

（5）外壳：电池封装，主要有铝壳、盖板、极耳、绝缘片等。

图3. 圆柱形锂离子电池结构示意图。

锂离子电池的故障机理与影响分析总结

故障模式机理与影响分析（FMMEA）衍生于失效模式与影响分析（FMEA），在FMEA分析的基础上，FMMEA更加详细的定义和指出了导致故障产生的机理。因此，锂离子电池的FMMEA的发展基于多年来对电池可靠性的试验、结构拆解及失效分析研究。本文从锂离子电池结构的角度出发总结了锂离子电池的故障机理与影响分析，如表1所示：

表1. 锂离子电池的故障模式机理与影响分析

以上表格是根据长期可靠性试验与分析积累所得。在锂离子电池失效分析中，还应该根据实际情况全面考察电池的材料、工艺、工作环境、使用情况及宿主设备等信息。电池虽小，但它所涉及到的方面却极其复杂，因此，研究者还需根据背景信息进行细致考察并得出合理的结论。