Analyse von Korrosionsmechanismen in Lithium-Eisen-Zellen mit Aluminiumgehäuse-: Verbesserung der Sicherheit und Langlebigkeit

Mit der rasanten Entwicklung der neuen Energiefahrzeug-, Energiespeichersystem- und Unterhaltungselektronikindustrie steigen die Anforderungen an die Sicherheit, Energiedichte und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien ständig. Dank ihrer hervorragenden mechanischen Festigkeit, ihres geringen Gewichts und ihrer hervorragenden Wärmeableitungsfähigkeiten sind Aluminiumgehäuse zu einer wichtigen Verpackungslösung für viele Strom- und Energiespeicherbatterien geworden. Insbesondere Aluminiumgehäuse werden häufig in prismatischen Leistungsbatterien verwendet und bieten zuverlässigen strukturellen Schutz und Wärmemanagement für die Batteriezellen.

 

Im Vergleich zu Pouch-Zellen und bestimmten zylindrischen Batteriedesigns bieten Batterien mit Aluminium-gehäuse eine überlegene Schlagfestigkeit und Dimensionsstabilität. Insbesondere in Batteriesystemen mit hoher-Kapazität erhöhen Aluminiumgehäuse effektiv die Gesamtsteifigkeit der Zellen und verringern das Risiko einer Verformung durch äußere mechanische Beanspruchung während Transport und Betrieb. Daher werden sie häufig im Schienenverkehr, bei der Energiespeicherung und in Fahrzeuganwendungen mit neuer Energie eingesetzt.

 

Unter normalen Betriebsbedingungen bildet sich auf der Oberfläche des Aluminiumgehäuses eine dichte und stabile Oxid-Passivierungsschicht. Dieser Schutzfilm verhindert wirksam den direkten Kontakt zwischen dem Metallsubstrat und externen Medien und erhöht so die Korrosionsbeständigkeit. Bei Aluminiumgehäusen, die in Lithium-Polymer-Batteriezellen verwendet werden, steht die Integrität dieser Passivierungsschicht in direktem Zusammenhang mit der langfristigen Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Batteriegehäuses.

 

Weitere Analysen mittels energiedispersiver Spektroskopie (EDS) ergaben, dass das intakte Gehäuse zwar hauptsächlich aus Aluminium besteht, die korrodierten Bereiche jedoch erhebliche Mengen an Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten. Dies weist darauf hin, dass der Korrosionsprozess mit der Bildung neuer chemischer Reaktionsprodukte und komplexen elektrochemischen Veränderungen einhergeht.

 

Die Röntgenbeugungsanalyse (XRD) zeigte, dass die Korrosionsprodukte hauptsächlich aus Lithiumcarbonat und geringen Mengen an Lithium-Aluminiumverbindungen bestehen. Dies deutet darauf hin, dass Lithium-Ionen unter bestimmten Bedingungen an chemischen Reaktionen auf der Gehäuseoberfläche beteiligt sind. Wenn bei prismatischen Lithiumbatteriegehäusen eine elektrische Verbindung zwischen der negativen Elektrode und dem Gehäuse entsteht, können Lithiumionen bevorzugt in Richtung des Gehäuses wandern und eine Interkalationsreaktion eingehen.

 

Mechanistisch gesehen besitzt das Aluminiummetallgitter eine Strukturkonfiguration, die die Einlagerung von Lithiumionen ermöglicht. Wenn die negative Elektrode direkten Kontakt mit dem Gehäuse hat, können einige Lithiumionen in das Aluminiumgitter eindringen und Lithium-Aluminiumverbindungen bilden. Mit fortschreitender Reaktion bilden sich auf der Gehäuseoberfläche Zwischenprodukte wie Lithiumoxid und Lithiumhydroxid; Dies ist ein Hauptgrund dafür, dass die korrodierten Proben eine ausgeprägte Alkalität aufweisen.

 

Mit fortschreitender Korrosion reagieren diese Lithiumverbindungen mit atmosphärischem Kohlendioxid und erzeugen letztendlich erhebliche Lithiumcarbonatablagerungen. Bei Lithium-Eisenphosphat-Batteriegehäusen (LFP) beeinträchtigen solche Ablagerungen nicht nur die strukturelle Integrität des Gehäuses, sondern beschleunigen auch den Elektrolytverbrauch und erhöhen die Innenimpedanz, was zu einer kontinuierlichen Verschlechterung der Batteriekapazität führt.

 

 

Über die chemischen Reaktionen hinaus sind Änderungen im Gehäusepotential ein entscheidender Einflussfaktor auf die Korrosion. Untersuchungen zeigen, dass in einer gesunden Zelle zwar ein signifikanter Potentialunterschied zwischen dem Gehäuse und der negativen Elektrode besteht, dieser Unterschied jedoch in Zellen, die einer Korrosion ausgesetzt sind, auf nahezu Null sinkt. Bei Lithium---Ionenzellen mit Aluminiumgehäuse deutet eine niedrige Potentialdifferenz oft auf einen Fehler im Isolationssystem hin und schafft so Bedingungen, die das Fortschreiten der Korrosionsreaktion ermöglichen.

 

Aus fertigungstechnischer Sicht liegt der Schlüssel zur Korrosionsverhinderung in der Verbesserung der Zuverlässigkeit der Gehäuseisolierung. Bei den Produktionsprozessen für Aluminiumgehäuse müssen die Elektrodenabmessungen, Maßtoleranzen und die Montagepositionierung streng kontrolliert werden. Gleichzeitig müssen die Isolationskonstruktionen im Laschenbereich verstärkt werden, um einen direkten Kontakt zwischen der negativen Elektrode und dem Gehäuse zu verhindern. Darüber hinaus sollten robuste Mechanismen zur Überwachung des Hüllenpotenzials und zum Screening von Produkten eingerichtet werden, um Zellen mit potenziellen Risiken frühzeitig zu identifizieren.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Korrosion von Aluminiumgehäusen im Wesentlichen ein komplexer elektrochemischer Prozess ist, der durch einen abnormalen Kontakt zwischen der negativen Elektrode und der Elektrode verursacht wirdBatteriegehäuse aus Aluminium, was eine Kettenreaktion auslöst, bei der Lithiumionen in das Aluminiummetall eingelagert werden. Da sich Batterien mit hoher -Energie-dichte weiterentwickeln, werden die Optimierung von Aluminiumgehäusematerialien, die Verbesserung von Isolationsstrukturen und kontinuierliche Fortschritte bei In-{3}}Inspektionstechnologien von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Lithium-{4}Ionenbatterien sein.