Mehanizmi korozije, načini odpovedi in sistematične zaščitne strategije za litij-ionske baterije z aluminijastim-ohišjem

Korozija aluminijastega ohišja akumulatorja je v prvi vrsti razvrščena v dve vrsti: zunanja korozija in notranja korozija. Zunanja korozija izvira iz izpostavljenosti baterije jedkim snovem-kot so kisline in alkalije (npr. deževnica ali čistilna sredstva)-med shranjevanjem ali delovanjem, kar neposredno razjeda površino aluminijastega ohišja. Nasprotno pa je notranja korozija bolj zahrbtna in potencialno bolj nevarna; njegov temeljni vzrok je v interkalaciji litija v strukturo aluminija pod posebnimi elektrokemičnimi pogoji. Ko potencial aluminijastega ohišja pade na med 0,2 in 0,4 V (v primerjavi z Li/Li⁺), se ioni Li⁺ interkalirajo v kristalno mrežo aluminija in tvorijo intermetalne zlitine, kot sta LiAl in Li₃Al₂.

Ta proces povzroči širjenje rešetke in razpoke, kar na koncu povzroči, da se aluminij zdrobi v prah, izgubi svoj kovinski sijaj in tvori porozno korozijsko plast. Ta proces razgradnje običajno sproži naključni kratek stik med negativno elektrodo in aluminijastim ohišjem.

Da pride do notranje korozije, morajo biti hkrati izpolnjeni trije pogoji: prisotnost elektronske poti, ionske poti in korozivni potencial. Od teh je ionska pot (ki jo zagotavlja elektrolit) neizogibna; zato sta blokiranje poti elektronov in nadzor potencialne razlike glavni strategiji za preprečevanje korozije. Pri standardnih izvedbah aluminijasto ohišje prizmatične baterijske celice zagotavlja popolno električno izolacijo med negativno elektrodo in ohišjem z uporabo izolacijskih materialov (kot so izolacijske folije ali tesnila zgornjega-pokrova).

Vendar, če negativna elektroda pride v stik z notranjo steno ohišja-bodisi zaradi napak pri izdelavi (npr. predolgi jezički elektrode, premaknjena izolacijska lepila ali slaba inkapsulacija navitja) ali zunanje mehanske poškodbe-se napetost med negativno elektrodo in ohišjem približa 0 V, s čimer se ustvarijo potrebni pogoji za litijeva-interkalacijska korozija. Eksperimentalne študije so pokazale, da po več ciklih polnjenja-praznjenja takšne ogrožene baterije pogosto kažejo perforacije in puščanje elektrolita v bližini ventila-za zaščito pred eksplozijo.

Poleg tega zunanji kratki stiki predstavljajo enako veliko tveganje. Če zunanja površina ohišja akumulatorja vzpostavi prevodno pot do negativnega pola-zaradi ostankov elektrolita ali stika z zunanjimi kovinskimi predmeti (kot so preskusne naprave ali žice)-lahko podobno zmanjša napetost ohišja v območje korozivnega potenciala. Raziskave kažejo, da baterije z začetno napetostjo ohišja 1–2 V, ko so izpostavljene ciklom polnjenja-praznjenja po vzpostavitvi umetnega kratkega stika z negativnim polom, hitro pokažejo znake korozije aluminijastega ohišja. Če pridejo aluminijasta ohišja sosednjih posameznih celic v električni stik na ravni baterijskega paketa (PACK), to spremeni porazdelitev potenciala po celotnem serijskem vezju. To lahko povzroči, da napetost ohišja določenih posameznih celic pade nenormalno nizko-ali celo postane negativna-in s tem sproži lokalizirano korozijo. Na primer, v tri-celičnem paketu baterij lahko kratek stik med aluminijastimi ohišji prve in zadnje celice povzroči padec napetosti ohišja končne celice na –1,5 V, s čimer se pospeši njena odpoved.

Ne smemo zanemariti niti dejavnikov okolja. Če akumulator z aluminijastim-ohišjem, zasnovan za vozila z novo energijo, potopite v šibko kislo vodo (pH ≈ 5), je napetost ohišja še vedno težko popolnoma obnoviti, tudi po sušenju. Če se cikli polnjenja in praznjenja nadaljujejo v tem ogroženem stanju, se stopnja korozije znatno poveča. To se zgodi, ker prisotnost vlage uvaja dodatne ionske poti, medtem ko ioni nečistoč katalizirajo elektrokemične reakcije. Še bolj kritično pa je, da se lahko v pogojih nizke napetosti ohišja kovinski litij neposredno odloži na površino aluminijastega ohišja, kar še poslabša legirno korozijo.

Vpliv korozije na zmogljivost akumulatorja kaže učinek z zakasnitvijo. Med začetno fazo (npr. prvih 400 ciklov) se ohranitev zmogljivosti baterije v aluminijastem-ohišju za ponovno polnjenje zdi nerazločljiva od običajne, nerjaveče enote; vendar se z napredovanjem cikliranja aktivni litij nenehno porablja v reakcijah litijacije, ki se pojavljajo na aluminijastem ohišju, kar vodi do nepopravljive izgube aktivnega materiala na katodi. Po 1500 ciklih lahko ohranitev zmogljivosti zarjavele baterije strmoglavo pade z 88 % na celo 60 %. Kar zadeva zmogljivost hitrosti, pri stopnjah praznjenja pod 5C ni opaziti bistvenih razlik; vendar se pri visokih stopnjah praznjenja, ki presegajo 10C, poveča notranji upor zarjavele baterije, kar povzroči izrazito poslabšanje delovanja.