Corrosiemechanismen, storingsmodi en systematische beschermingsstrategieën voor aluminium-lithium--ionbatterijen

Corrosie van aluminium batterijbehuizingen wordt hoofdzakelijk onderverdeeld in twee typen: externe corrosie en interne corrosie. Externe corrosie komt voort uit de blootstelling van de batterij aan corrosieve stoffen-zoals zuren en logen (bijvoorbeeld regenwater of schoonmaakmiddelen)-tijdens opslag of gebruik, waardoor het oppervlak van de aluminium behuizing direct erodeert. Interne corrosie is daarentegen verraderlijker en potentieel gevaarlijker; de hoofdoorzaak ligt in de intercalatie van lithium in de aluminiumstructuur onder specifieke elektrochemische omstandigheden. Wanneer de potentiaal van de aluminium behuizing daalt tot tussen 0,2 en 0,4 V (vs. Li/Li⁺), intercaleren Li⁺-ionen in het aluminium kristalrooster en vormen intermetallische legeringen zoals LiAl en Li₃Al₂.

Dit proces veroorzaakt uitzetting en barsten van het rooster, waardoor het aluminium uiteindelijk verpulvert, zijn metaalglans verliest en een poreuze corrosielaag vormt. Dit degradatieproces wordt doorgaans veroorzaakt door een onbedoelde kortsluiting tussen de negatieve elektrode en de aluminium behuizing.

Om interne corrosie te laten optreden, moet er tegelijkertijd aan drie voorwaarden worden voldaan: de aanwezigheid van een elektronenpad, een ionenpad en een corrosief potentieel. Hiervan is de ionenroute (verzorgd door de elektrolyt) onvermijdelijk; daarom vormen het blokkeren van de elektronenroute en het beheersen van het potentiaalverschil de kernstrategieën voor corrosiepreventie. In standaardontwerpen zorgt de aluminium behuizing van een prismatische batterijcel voor volledige elektrische isolatie tussen de negatieve elektrode en de behuizing door het gebruik van isolatiematerialen (zoals isolatiefilms of bovendekselpakkingen).

Als de negatieve elektrode echter in contact komt met de binnenwand van de behuizing -als gevolg van fabricagefouten (bijvoorbeeld te lange elektrodelippen, verplaatste isolatiekleefstoffen of een slechte inkapseling van de wikkelingen) of externe mechanische schade-, zal de spanning tussen de negatieve elektrode en de behuizing de 0 V naderen, waardoor de noodzakelijke omstandigheden voor lithium-intercalatiecorrosie worden gecreëerd. Experimentele onderzoeken hebben aangetoond dat dergelijke beschadigde batterijen na verschillende laad- en ontlaadcycli vaak perforaties en elektrolytlekkage vertonen in de buurt van de explosieveilige klep.

Bovendien vormen externe kortsluitingen een even groot risico. Als het buitenoppervlak van de batterijbehuizing een geleidend pad naar de negatieve pool tot stand brengt-als gevolg van achtergebleven elektrolyt of contact met externe metalen voorwerpen (zoals testarmaturen of draden)-kan dit op dezelfde manier de spanning van de behuizing verlagen tot in het corrosieve potentiaalbereik. Uit onderzoek blijkt dat batterijen met een aanvankelijke behuizingsspanning van 1–2 V, wanneer ze worden onderworpen aan laad-ontlaadcycli nadat er een kunstmatige kortsluiting met de negatieve pool is ontstaan, snel tekenen van corrosie van de aluminium behuizing vertonen. Als op batterijniveau (PACK) de aluminium behuizingen van aangrenzende individuele cellen in elektrisch contact komen, verandert dit de potentiaalverdeling over het hele seriecircuit. Dit kan ertoe leiden dat de spanning van de behuizing van specifieke individuele cellen abnormaal laag wordt-of zelfs negatief wordt-, waardoor plaatselijke corrosie ontstaat. In een batterijpakket met drie-cellen kan een kortsluiting tussen de aluminium behuizing van de eerste en de laatste cel er bijvoorbeeld voor zorgen dat de spanning van de behuizing van de eindcel daalt tot -1,5 V, waardoor het falen ervan wordt versneld.

Ook omgevingsfactoren mogen niet over het hoofd worden gezien. Als een batterij met een aluminium-behuizing die is ontworpen voor nieuwe energievoertuigen wordt ondergedompeld in zwak zuur water (pH ≈ 5), blijft de spanning in de behuizing moeilijk volledig te herstellen, zelfs na het drogen. Als de laad- en ontlaadcycli in deze aangetaste toestand doorgaan, neemt de corrosiesnelheid aanzienlijk toe. Dit gebeurt omdat de aanwezigheid van vocht extra ionische routes introduceert, terwijl onzuiverheidionen de elektrochemische reacties katalyseren. Cruciaal is dat onder omstandigheden met een lage behuizingsspanning metallisch lithium zich rechtstreeks kan afzetten op het oppervlak van de aluminium behuizing, waardoor de legeringscorrosie verder wordt verergerd.

De impact van corrosie op de batterijprestaties vertoont een vertraagd effect. Tijdens de beginfase (bijvoorbeeld de eerste 400 cycli) lijkt het capaciteitsbehoud van de oplaadbare batterij met aluminium-behuizing niet te onderscheiden van die van een normaal, niet-gecorrodeerd apparaat; Naarmate de cyclus vordert, wordt actief lithium echter voortdurend verbruikt bij de lithieringsreacties die plaatsvinden aan de aluminium behuizing, wat leidt tot een onomkeerbaar verlies van actief materiaal aan de kathode. Na 1500 cycli kan het capaciteitsbehoud van een gecorrodeerde batterij dalen van 88% naar slechts 60%. Wat de snelheidsprestaties betreft, worden er geen significante verschillen waargenomen tijdens ontladingssnelheden onder 5°C; Bij hoge ontladingssnelheden van meer dan 10°C neemt de interne weerstand van de gecorrodeerde batterij echter toe, wat resulteert in een duidelijke verslechtering van de prestaties.