Korrosionsmechanismen, Fehlermodi und systematische Schutzstrategien für Lithium-Ionen-Batterien mit Aluminium-Gehäuse-

Die Korrosion von Batteriegehäusen aus Aluminium wird hauptsächlich in zwei Arten eingeteilt: äußere Korrosion und innere Korrosion. Äußere Korrosion entsteht durch die Einwirkung korrosiver Substanzen-wie Säuren und Laugen (z. B. Regenwasser oder Reinigungsmittel)-auf die Batterie während der Lagerung oder des Betriebs, wodurch die Oberfläche des Aluminiumgehäuses direkt erodiert wird. Im Gegensatz dazu ist innere Korrosion heimtückischer und potenziell gefährlicher. Die Ursache liegt in der Einlagerung von Lithium in die Aluminiumstruktur unter bestimmten elektrochemischen Bedingungen. Wenn das Potential des Aluminiumgehäuses auf 0,2 bis 0,4 V (gegenüber Li/Li⁺) sinkt, interkalieren Li⁺-Ionen in das Aluminiumkristallgitter und bilden intermetallische Legierungen wie LiAl und Li₃Al₂.

Dieser Prozess führt zu einer Gittererweiterung und Rissbildung, was letztendlich dazu führt, dass das Aluminium pulverisiert, seinen metallischen Glanz verliert und eine poröse Korrosionsschicht bildet. Dieser Abbauprozess wird typischerweise durch einen versehentlichen Kurzschluss zwischen der negativen Elektrode und dem Aluminiumgehäuse ausgelöst.

Damit innere Korrosion auftritt, müssen drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: das Vorhandensein eines Elektronenwegs, eines Ionenwegs und eines korrosiven Potenzials. Davon ist der Ionenweg (bereitgestellt durch den Elektrolyten) unvermeidbar; Daher sind die Blockierung des Elektronenpfads und die Kontrolle der Potentialdifferenz die Kernstrategien zur Korrosionsverhinderung. In Standardausführungen sorgt das Aluminiumgehäuse einer prismatischen Batteriezelle durch die Verwendung von Isoliermaterialien (z. B. Isolierfolien oder Deckeldichtungen) für eine vollständige elektrische Isolierung zwischen der negativen Elektrode und dem Gehäuse.

Wenn jedoch die negative Elektrode mit der Innenwand des Gehäuses in Kontakt kommt -sei es aufgrund von Herstellungsfehlern (z. B. zu lange Elektrodenfahnen, verschobener Isolierklebstoff oder schlechter Wicklungseinkapselung) oder äußerer mechanischer Beschädigung-, nähert sich die Spannung zwischen der negativen Elektrode und dem Gehäuse 0 V und schafft so die notwendigen Bedingungen für Lithium--Interkalationskorrosion. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass solche beschädigten Batterien nach mehreren Lade- und Entladezyklen häufig Perforationen und Elektrolytaustritt in der Nähe des explosionssicheren Ventils aufweisen.

Darüber hinaus stellen externe Kurzschlüsse ein ebenso großes Risiko dar. Wenn die Außenfläche des Batteriegehäuses einen leitenden Pfad zum Minuspol bildet-aufgrund von Restelektrolyt oder Kontakt mit externen metallischen Gegenständen (z. B. Prüfvorrichtungen oder Drähten)-kann die Gehäusespannung ebenfalls in den korrosiven Potenzialbereich sinken. Untersuchungen zeigen, dass Batterien mit einer anfänglichen Gehäusespannung von 1–2 V, wenn sie Lade-{6}}Entladezyklen ausgesetzt werden, nachdem ein künstlicher Kurzschluss mit dem Minuspol hergestellt wurde, schnell Anzeichen von Korrosion des Aluminiumgehäuses zeigen. Kommt es auf der Ebene des Batteriepacks (PACK) zu elektrischem Kontakt zwischen den Aluminiumgehäusen benachbarter Einzelzellen, verändert sich die Potenzialverteilung über die gesamte Reihenschaltung. Dies kann dazu führen, dass die Gehäusespannung einzelner Zellen ungewöhnlich stark absinkt-oder sogar negativ wird-und dadurch örtliche Korrosion auslöst. Beispielsweise kann in einem Batteriesatz mit drei -Zellen ein Kurzschluss zwischen den Aluminiumgehäusen der ersten und letzten Zelle dazu führen, dass die Spannung des Gehäuses der Endzelle auf -1,5 V abfällt, wodurch deren Ausfall beschleunigt wird.

Auch Umweltfaktoren dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Wenn eine Batterie mit Aluminiumgehäuse, die für Fahrzeuge mit neuer Energie entwickelt wurde, in schwach saures Wasser (pH ≈ 5) getaucht wird, ist es auch nach dem Trocknen schwierig, die Gehäusespannung vollständig wiederherzustellen. Wenn Lade- und Entladezyklen in diesem beeinträchtigten Zustand fortgesetzt werden, beschleunigt sich die Korrosionsrate erheblich. Dies liegt daran, dass die Anwesenheit von Feuchtigkeit zusätzliche Ionenwege einleitet, während Verunreinigungsionen die elektrochemischen Reaktionen katalysieren. Noch kritischer ist, dass sich bei niedriger Gehäusespannung metallisches Lithium direkt auf der Oberfläche des Aluminiumgehäuses ablagern kann, was die Legierungskorrosion weiter verschlimmert.

Der Einfluss von Korrosion auf die Batterieleistung zeigt eine verzögerte Wirkung. Während der Anfangsphase (z. B. den ersten 400 Zyklen) scheint die Kapazitätserhaltung der wiederaufladbaren Batterie mit Aluminiumgehäuse nicht von der eines normalen, nicht korrodierten Geräts zu unterscheiden; Mit fortschreitender Zyklisierung wird jedoch bei den am Aluminiumgehäuse ablaufenden Lithiierungsreaktionen kontinuierlich aktives Lithium verbraucht, was zu einem irreversiblen Verlust an aktivem Material an der Kathode führt. Nach 1.500 Zyklen kann die Kapazitätserhaltung einer korrodierten Batterie von 88 % auf bis zu 60 % sinken. Hinsichtlich der Ratenleistung sind bei Entladeraten unter 5 °C keine signifikanten Unterschiede zu beobachten; Bei hohen Entladeraten über 10 °C erhöht sich jedoch der Innenwiderstand der korrodierten Batterie, was zu einer deutlichen Verschlechterung der Leistung führt.