Mecanisme de coroziune, moduri de defecțiune și strategii de protecție sistematică pentru bateriile cu ioni de litiu-cu carcasă de aluminiu-

Coroziunea carcasei bateriilor din aluminiu este clasificată în principal în două tipuri: coroziunea externă și coroziunea internă. Coroziunea externă provine din expunerea bateriei la substanțe corozive-cum ar fi acizi și alcalii (de exemplu, apa de ploaie sau agenți de curățare)-în timpul depozitării sau al funcționării, care erodează direct suprafața carcasei de aluminiu. Coroziunea internă, dimpotrivă, este mai insidioasă și potențial mai periculoasă; cauza sa fundamentală constă în intercalarea litiului în structura de aluminiu în condiții electrochimice specifice. Când potențialul carcasei de aluminiu scade la 0,2 și 0,4 V (față de Li/Li⁺), ionii Li⁺ se intercalează în rețeaua cristalină de aluminiu pentru a forma aliaje intermetalice precum LiAl și Li₃Al₂.

Acest proces induce expansiunea și fisurarea rețelei, determinând în cele din urmă aluminiul să se pulverizeze, să-și piardă luciul metalic și să formeze un strat poros de coroziune. Acest proces de degradare este de obicei declanșat de un scurtcircuit accidental între electrodul negativ și carcasa de aluminiu.

Pentru ca coroziunea internă să apară, trebuie îndeplinite simultan trei condiții: prezența unei căi de electroni, a unei căi a ionilor și a unui potențial corosiv. Dintre acestea, calea ionică (furnizată de electrolit) este inevitabilă; prin urmare, blocarea căii electronilor și controlul diferenței de potențial constituie strategiile de bază pentru prevenirea coroziunii. În modelele standard, carcasa din aluminiu a unei celule prismatice a bateriei asigură o izolare electrică completă între electrodul negativ și carcasă prin utilizarea materialelor izolatoare (cum ar fi folii izolatoare sau garnituri de-capac superior).

Cu toate acestea, dacă electrodul negativ intră în contact cu peretele interior al carcasei-fie din cauza defectelor de fabricație (de exemplu, cleme excesiv de lungi ale electrodului, adezivi izolatori deplasați sau încapsularea proastă a înfășurării) sau deteriorări mecanice externe-tensiunea dintre electrodul negativ și carcasă, se vor apropia condițiile necesare pentru a crea 0 V. coroziunea de intercalare-litiu. Studiile experimentale au demonstrat că, în urma mai multor cicluri de încărcare-descărcare, astfel de baterii compromise prezintă adesea perforații și scurgeri de electroliți în vecinătatea supapei-de rezistență la explozie.

În plus, scurtcircuitele externe prezintă un risc la fel de semnificativ. Dacă suprafața exterioară a carcasei bateriei stabilește o cale conductivă către borna negativă-din cauza electrolitului rezidual sau a contactului cu obiecte metalice externe (cum ar fi dispozitivele de testare sau firele)-poate scădea în mod similar tensiunea carcasei în domeniul potențialului corosiv. Cercetările indică faptul că bateriile cu o tensiune inițială a carcasei de 1–2 V, atunci când sunt supuse ciclurilor de încărcare-descărcare după ce se stabilește un scurtcircuit artificial la borna negativă, prezintă rapid semne de coroziune a carcasei de aluminiu. La nivelul pachetului de baterii (PACK), dacă carcasele de aluminiu ale celulelor individuale adiacente intră în contact electric, acesta modifică distribuția potențialului pe întregul circuit în serie. Acest lucru poate face ca tensiunea în carcasă a anumitor celule individuale să scadă anormal de scăzut-sau chiar să devină negativă-declanșând astfel coroziunea localizată. De exemplu, într-un pachet de baterii cu trei-celule, un scurtcircuit între carcasele de aluminiu ale primei și ultimei celule poate duce la scăderea tensiunii carcasei celulei terminale la -1,5 V, accelerând astfel defectarea acesteia.

Nici factorii de mediu nu trebuie trecuti cu vederea. Dacă o baterie cu carcasă-de aluminiu concepută pentru vehicule cu energie nouă este scufundată în apă slab acidă (pH ≈ 5), tensiunea din carcasă rămâne greu de recuperat complet, chiar și după uscare. Dacă ciclurile de încărcare și descărcare continuă în această stare compromisă, viteza de coroziune se accelerează semnificativ. Acest lucru se întâmplă deoarece prezența umidității introduce căi ionice suplimentare, în timp ce ionii de impurități catalizează reacțiile electrochimice. Mai critic, în condiții de tensiune scăzută a carcasei, litiul metalic se poate depune direct pe suprafața carcasei de aluminiu, exacerbând și mai mult coroziunea aliajului.

Impactul coroziunii asupra performanței bateriei prezintă un efect întârziat. În timpul fazei inițiale (de exemplu, primele 400 de cicluri), capacitatea de reținere a bateriei reîncărcabile din aluminiu-pare să nu se distingă de cea a unei unități normale, necorodate; totuși, pe măsură ce ciclul progresează, litiul activ este consumat continuu în reacțiile de litiere care au loc la carcasa de aluminiu, ducând la o pierdere ireversibilă a materialului activ la catod. După 1.500 de cicluri, capacitatea de reținere a unei baterii corodate poate scădea de la 88% până la 60%. În ceea ce privește performanța ratei, nu se observă diferențe semnificative în timpul ratelor de descărcare sub 5C; cu toate acestea, la rate mari de descărcare care depășesc 10C, rezistența internă a bateriei corodate crește, rezultând o deteriorare marcată a performanței.