Analiza mehanizama korozije u aluminijskim-kućištima litij-željeznih ćelija: povećanje sigurnosti i dugovječnosti

S brzim razvojem novih energetskih vozila, sustava za pohranu energije i industrije potrošačke elektronike, zahtjevi za sigurnošću, gustoćom energije i radnim vijekom litij-ionskih baterija stalno rastu. Zahvaljujući njihovoj izvrsnoj mehaničkoj čvrstoći, laganoj prirodi i vrhunskim mogućnostima odvođenja topline, aluminijska kućišta postala su ključno rješenje za pakiranje mnogih baterija za napajanje i pohranu energije. Konkretno, aluminijska kućišta naširoko se koriste u prizmatičnim energetskim baterijama, pružajući pouzdanu strukturnu zaštitu i upravljanje toplinom za baterije.

 

U usporedbi s džepnim ćelijama i određenim cilindričnim dizajnom baterija, baterije s aluminijskim-kućištem nude vrhunsku otpornost na udarce i stabilnost dimenzija. Posebno u baterijskim sustavima velikog-kapaciteta, aluminijska kućišta učinkovito povećavaju ukupnu krutost ćelija i smanjuju rizik od deformacije uzrokovane vanjskim mehaničkim stresom tijekom transporta i rada; posljedično, naširoko se koriste u željezničkom prijevozu, skladištenju električne energije i primjenama novih energetskih vozila.

 

U normalnim radnim uvjetima, na površini aluminijskog kućišta stvara se gusti i stabilni oksidni pasivacijski sloj. Ovaj zaštitni film učinkovito sprječava izravan kontakt između metalne podloge i vanjskog medija, čime se povećava otpornost na koroziju. Za aluminijska kućišta koja se koriste u litij-polimer baterijskim ćelijama, integritet ovog pasivizirajućeg sloja izravno je povezan s dugoročnom-pouzdanošću i vijekom trajanja kućišta baterije.

 

Daljnja analiza korištenjem energetske -disperzijske spektroskopije (EDS) otkrila je da dok se netaknuto kućište sastoji prvenstveno od aluminija, korodirana područja sadrže značajne količine kisika i ugljika. To ukazuje da proces korozije uključuje stvaranje novih proizvoda kemijske reakcije i složene elektrokemijske promjene.

 

Analiza difrakcije X-zraka (XRD) pokazala je da se produkti korozije uglavnom sastoje od litij karbonata i manjih količina spojeva litij-aluminija. To sugerira da pod određenim uvjetima litijevi ioni sudjeluju u kemijskim reakcijama na površini kućišta. U slučaju prizmatičnih kućišta litijskih baterija, ako se formira električna veza između negativne elektrode i kućišta, litijevi ioni mogu preferencijalno migrirati prema kućištu i podvrgnuti se reakciji interkalacije.

 

Mehanički gledano, aluminijska metalna rešetka ima strukturnu konfiguraciju koja se prilagođava interkalaciji iona litija. Kada negativna elektroda stupi u izravan kontakt s kućištem, neki ioni litija mogu ući u aluminijsku rešetku i formirati spojeve litij-aluminija. Kako reakcija napreduje, međuprodukti kao što su litijev oksid i litijev hidroksid stvaraju se na površini kućišta; ovo je glavni razlog zašto korodirani uzorci pokazuju izrazitu lužnatost.

 

Kako korozija napreduje, ovi spojevi litija reagiraju s atmosferskim ugljikovim dioksidom, stvarajući u konačnici značajne naslage litijeva karbonata. Za kućišta baterija od litij-željezo-fosfata (LFP), takve naslage ne samo da ugrožavaju strukturni integritet kućišta, već također ubrzavaju potrošnju elektrolita i povećavaju unutarnju impedanciju, što dovodi do kontinuirane degradacije kapaciteta baterije.

 

 

Osim samih kemijskih reakcija, promjene u potencijalu kućišta kritični su čimbenik koji utječe na koroziju. Istraživanja pokazuju da dok se održava značajna razlika potencijala između kućišta i negativne elektrode u zdravoj ćeliji, ta razlika pada gotovo na nulu u ćelijama koje su podvrgnute koroziji. Za litij-ionske ćelije s aluminijskim kućištem, niska potencijalna razlika često signalizira kvar u izolacijskom sustavu, čime se stvaraju uvjeti koji omogućuju napredovanje reakcije korozije.

 

Iz perspektive proizvodnje, ključ za sprječavanje korozije leži u poboljšanju pouzdanosti izolacije kućišta. Proizvodni procesi za aluminijska kućišta moraju strogo kontrolirati dimenzije elektroda, tolerancije dimenzija i pozicioniranje sklopa; istovremeno, dizajn izolacije u području jezička mora biti ojačan kako bi se spriječio izravan kontakt između negativne elektrode i kućišta. Nadalje, potrebno je uspostaviti snažne mehanizme za praćenje potencijala ovojnice i proizvoda za probir kako bi se identificirale stanice s potencijalnim rizicima u najranijoj mogućoj fazi.

 

Ukratko, korozija aluminijskog kućišta u osnovi je složen elektrokemijski proces potaknut abnormalnim kontaktom između negativne elektrode iAluminijsko kućište baterije, što pokreće lančanu reakciju koja uključuje interkalaciju iona litija u metalni aluminij. Kako se baterije-energetske-evoluiraju, optimizacija materijala aluminijskih kućišta, nadogradnja izolacijskih struktura i stalni napredak u-tehnologijama inspekcije u liniji bit će ključni za povećanje sigurnosti, pouzdanosti i životnog vijeka litij-ionskih baterija.