แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นแบตเตอรี่ประเภทหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในชีวิตประจำวัน เช่น แบตเตอรี่มอเตอร์ไซค์ แบตเตอรี่รถจักรยานไฟฟ้า แบตเตอรี่สกู๊ตเตอร์ไฟฟ้า ฯลฯ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียม เนื่องจากประสิทธิภาพที่เหนือกว่า แบตเตอรี่ลิเธียมจึงได้รับความนิยมจากผู้คน อย่างไรก็ตาม หลังจากใช้งานแบตเตอรี่เป็นเวลานาน แบตเตอรี่จะเกิดความล้มเหลว ความล้มเหลวคืออะไร บทความนี้จะวิเคราะห์ความหมาย ปรากฏการณ์ และสาเหตุของความล้มเหลวสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม
ความหมายและการจำแนกประเภทของความล้มเหลวสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม
ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมหมายถึงการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพของแบตเตอรี่หรือประสิทธิภาพที่ผิดปกติเนื่องจากสาเหตุสำคัญบางประการ ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท: หนึ่งคือความล้มเหลวด้านประสิทธิภาพ และอีกประการหนึ่งคือความล้มเหลวด้านความปลอดภัย
ความล้มเหลวด้านประสิทธิภาพหมายถึงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ไม่ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานและตัวบ่งชี้ที่เกี่ยวข้อง ส่วนใหญ่รวมถึงการลดทอนความจุของแบตเตอรี่ อายุการใช้งานสั้น ประสิทธิภาพอัตราต่ำ ความสม่ำเสมอไม่ดี การคายประจุเองได้ง่าย การลดทอนประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงและต่ำ ฯลฯ
ความล้มเหลวด้านความปลอดภัยหมายถึงความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอันเนื่องมาจากการใช้งานที่ไม่เหมาะสมหรือการใช้งานที่ไม่เหมาะสม ซึ่งส่วนใหญ่รวมถึงการหนีความร้อน อาการท้องอืด การรั่วไหล การตกตะกอนของลิเธียม การลัดวงจร การขยายตัวและการเสียรูป ฯลฯ
การวิเคราะห์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมและปรากฏการณ์ความล้มเหลว
การกำเนิดของการวิเคราะห์ความล้มเหลวจะมาพร้อมกับปรากฏการณ์ความล้มเหลว โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อกำหนดและป้องกันการเกิดขึ้น การวิเคราะห์ความล้มเหลวเป็นกิจกรรมทางเทคนิคและการจัดการที่กำหนดโหมดความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์ วิเคราะห์สาเหตุของความล้มเหลว และคาดการณ์หรือป้องกันปรากฏการณ์ความล้มเหลว
ผู้คนได้หยิบยกข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับตัวชี้วัดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของความหนาแน่นของปริมาตร/มวลของพลังงาน ความหนาแน่นของพลังงาน อายุการใช้งานของวงจร ต้นทุน ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัย ฯลฯ
งานวิเคราะห์ความล้มเหลวควรเริ่มจากปรากฏการณ์ความล้มเหลวซึ่งควรเริ่มต้นด้วยปรากฏการณ์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมก่อนปรากฏการณ์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นขั้นตอนแรกในการวิเคราะห์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมและเป็นหนึ่งในข้อมูลความล้มเหลวที่ตรงและสำคัญที่สุด หากข้อมูลเกี่ยวกับความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมไม่ได้รับการเข้าใจและวิเคราะห์อย่างครบถ้วน ก็จะไม่สามารถรับสาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงไม่สามารถให้คำแนะนำเชิงสร้างสรรค์หรือการประเมินความน่าเชื่อถือได้
ปรากฏการณ์ความล้มเหลวแบ่งออกเป็นสองส่วน: ชัดเจนและโดยปริยาย Overt หมายถึงประสิทธิภาพและคุณลักษณะที่สังเกตได้โดยตรง เช่น การกระจายตัวของโครงสร้างพื้นผิวและการเสียรูปที่ปรากฏที่ตำแหน่งที่เกิดความล้มเหลว และสามารถสังเกตได้ผ่านการวิเคราะห์โดยรวม รวมถึงการเผาไฟ การสร้างความร้อน การปูด (การผลิตก๊าซ) การเสียรูป การรั่วไหล และการบรรจุหีบห่อ ความเสียหายและการบิดตัวของวัสดุ, เสี้ยนของวัสดุบรรจุภัณฑ์, รอยเชื่อมปลอมหรือหายไป, การหลอมละลายและการเสียรูปของวัสดุพลาสติก ฯลฯ
โดยนัยหมายถึงประสิทธิภาพและคุณลักษณะที่ไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง แต่จำเป็นต้องได้รับจากการถอดแยกชิ้นส่วนและการวิเคราะห์ หรือแสดงในการทดลองจำลอง เช่น ความล้มเหลวในระดับจุลภาคที่ตรวจพบผ่านการถอดแยกชิ้นส่วนในห้องปฏิบัติการ และข้อมูลทางไฟฟ้าในแบตเตอรี่จำลอง
ปรากฏการณ์ความล้มเหลวที่ซ่อนอยู่ทั่วไปในกระบวนการล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียม ได้แก่ การลัดวงจรภายในอิเล็กโทรดบวกและลบ การตกตะกอนของลิเธียม การสูญเสียผงจากชิ้นส่วนอิเล็กโทรด อายุของตัวคั่น การอุดตันของตัวคั่น การเจาะของตัวคั่น การอบแห้งของ อิเล็กโทรไลต์, ความล้มเหลวในการสูญเสียสภาพของอิเล็กโทรไลต์, การละลายของขั้วลบ และโลหะทรานซิชัน การตกตะกอน (รวมถึงการตกตะกอนของทองแดง), เสี้ยนของชิ้นส่วนขั้ว, ความผิดปกติของการพัน (หรือการเคลือบ) , ความจุแบตเตอรี่ลดลง, แรงดันไฟฟ้าผิดปกติ, ความต้านทานมากเกินไป, อายุการใช้งานของวงจรที่ผิดปกติ, ประสิทธิภาพอุณหภูมิสูง / ต่ำผิดปกติ ฯลฯ
สาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียม
สาเหตุทั่วไปของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียม ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุออกฤทธิ์ การเปลี่ยนแปลงเฟสของวัสดุออกฤทธิ์ รอยแตกหรือการแตกตัวของอนุภาคออกฤทธิ์ การละลายของโลหะทรานซิชัน การขยายตัวของปริมาตร การเจริญเติบโตมากเกินไปของอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) การสลายตัวของ SEI และการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์
การสลายตัวหรือความล้มเหลวของอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ไม่เพียงพอ สารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ไม่ตรงกัน การกัดกร่อนหรือการละลายของตัวสะสมกระแสไฟฟ้า ความล้มเหลวของสารนำไฟฟ้า ความล้มเหลวของสารยึดเกาะ ความล้มเหลวของตัวคั่นตามอายุ การอุดตันของรูของตัวคั่น การแยกชิ้นขั้ว การแยกตัวของวัสดุ แกนแบตเตอรี่ การออกแบบความผิดปกติ กระบวนการชราภาพของเซลล์ที่ผิดปกติ เป็นต้น
จากเนื้อหาการวิจัยสาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมแบ่งได้เป็นสาเหตุภายนอกและสาเหตุภายใน ปัจจัยภายนอก ได้แก่ ผลกระทบ การเจาะเข็ม การกัดกร่อน การเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูง การทำลายล้าง และปัจจัยภายนอกอื่น ๆ ในขณะที่ปัจจัยภายในส่วนใหญ่อ้างถึงธรรมชาติของการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีของความล้มเหลว ระดับการวิจัยสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปที่ ศึกษาระดับอะตอมและโมเลกุลและอุณหพลศาสตร์และพลศาสตร์ของกระบวนการล้มเหลวเรียนรู้การเปลี่ยนแปลง
ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมคือความล้มเหลวของวัสดุในที่สุด ความล้มเหลวของวัสดุส่วนใหญ่หมายถึงความผิดปกติในโครงสร้างวัสดุ คุณสมบัติ สัณฐานวิทยา ฯลฯ และความไม่ตรงกันระหว่างวัสดุ
ตัวอย่างเช่น อนุภาคของวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกจะแตกหักเนื่องจากความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอบนวัสดุซึ่งเกิดจากอัตราการดีอินเตอร์คาเลชันของ Li+ ที่ไม่สอดคล้องกัน วัสดุอิเล็กโทรดขั้วลบแบบซิลิคอนจะแตกและแหลกเป็นชิ้น ๆ เนื่องจากการขยายตัวและการหดตัวของปริมาตรในระหว่างกระบวนการประจุและคายประจุ อิเล็กโทรไลต์ได้รับผลกระทบจากความชื้นและอุณหภูมิ การสลายตัวหรือการเสื่อมสภาพเกิดขึ้น ปัญหาของการประสานตัวทำละลายระหว่างอิเล็กโทรดลบกราไฟต์และสารเติมแต่งโพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) ในอิเล็กโทรไลต์ และการตกตะกอนของลิเธียมที่เกิดจาก N/P น้อยเกินไป ( อัตราส่วนความจุของแผ่นขั้วลบต่อความจุของแผ่นขั้วบวก)
ความล้มเหลวที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงหลายประการอาจเกิดขึ้นเนื่องจากสาเหตุของความล้มเหลวบางอย่าง ตัวอย่างเช่น การตกตะกอนของโลหะทรานซิชันเฉพาะที่อาจทำให้เกิดก๊าซและทำให้เกิดความล้มเหลวนูน อย่างไรก็ตาม ยังอาจทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่เนื่องจากการลัดวงจรภายใน ซึ่งในทางกลับกัน ทำให้ไดอะแฟรมหดตัวทำให้เกิดความเสียหายบริเวณกว้างเนื่องจากความร้อน
ปรากฏการณ์ความล้มเหลวบางอย่างอาจสอดคล้องกับสาเหตุความล้มเหลวหลายประการ ตัวอย่างเช่น กลไกความล้มเหลวของการซีดจางของความจุรวมถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุ ความเสียหายของโครงสร้างจุลภาค ความล้มเหลวในการติดต่อระหว่างวัสดุ ความล้มเหลวของอิเล็กโทรไลต์หรือการสลายตัว ความล้มเหลวของสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ฯลฯ
ความยากในการวิเคราะห์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียม
ความสัมพันธ์ระหว่างสาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมและความล้มเหลวไม่ใช่แบบจำลอง “หนึ่งต่อหนึ่ง” ธรรมดา แต่ยังเป็นความสัมพันธ์หลายมิติเช่น “หนึ่งต่อกลุ่ม” “กลุ่มต่อหนึ่ง” และ “หลายต่อหลาย”
นอกจากนี้ สาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมยังแบ่งออกเป็นปัจจัยภายในและภายนอกซึ่งอาจมาจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของวัสดุส่วนประกอบเอง หรืออาจเป็นปัจจัยที่ซับซ้อน เช่น การออกแบบและการผลิต สภาพแวดล้อมการใช้งาน และช่วงเวลา ดังนั้นสาเหตุของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมและความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและกิจกรรมระหว่างความล้มเหลวจึงมีความซับซ้อนมาก
ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างหรือความเสียหายต่อวัสดุขั้วบวก/วัสดุขั้วลบจะทำให้เกิดปัญหา เช่น การลดทอนความจุ ประสิทธิภาพอัตราลดลง และความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น อายุของตัวคั่นและการเจาะทะลุเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการลัดวงจรในแบตเตอรี่ การออกแบบแบตเตอรี่ แผ่นอิเล็กโทรด กระบวนการเคลือบเช่นผ้า การรีด และการม้วนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพของความจุของแบตเตอรี่และประสิทธิภาพของอัตรา สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงจะทำให้อิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมสลายตัวและเสื่อมสภาพ และยังจะทำให้ความจุของแบตเตอรี่ลดทอนลง ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น การผลิตก๊าซและปัญหาอื่นๆ
ดังที่เราทุกคนทราบกันดีว่าแบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุอิเล็กโทรดบวก วัสดุอิเล็กโทรดลบ ตัวแยก อิเล็กโทรไลต์ ตัวทำละลาย สารนำไฟฟ้า สารยึดเกาะ ตัวสะสมกระแส แท็บ ฯลฯ กระบวนการเตรียมแบตเตอรี่ประกอบด้วยขั้นตอนด้านหน้า กลาง และสุดท้าย รวมถึงการตีและการเคลือบ การอบแห้ง การรีด การตัด การปะ การไดคัทหรือการม้วน การใส่เปลือก การเชื่อมแท็บ การฉีดของเหลว การเชื่อมแบบซีล องค์ประกอบทางเคมี และขั้นตอนอื่น ๆ
อย่างไรก็ตาม เนื้อหาหลักแต่ละรายการไม่มีอยู่อย่างอิสระ และแต่ละขั้นตอนการเตรียมการไม่มีอยู่อย่างเป็นอิสระ เนื้อหาเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันและมีอิทธิพลซึ่งกันและกัน และจะเกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในสาขาการสมัคร
นอกจากปัญหาข้างต้นแล้ว ยังมีปัญหาทางเทคนิคบางประการ เช่น ความจำเป็นในการใช้เทคโนโลยีการเก็บ/คัดกรองตัวอย่าง เทคโนโลยีการถ่ายโอนตัวอย่าง และเทคโนโลยีการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะที่สมเหตุสมผลและแม่นยำเพื่อวิเคราะห์ความล้มเหลวของวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียม
ก่อนที่จะรวบรวมและคัดกรองตัวอย่าง จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องถอดแยกชิ้นส่วนแบตเตอรี่ที่มีข้อกำหนดเฉพาะที่แตกต่างกันอย่างสมเหตุสมผลและมีประสิทธิภาพ ปัจจุบันการถอดแยกชิ้นส่วนส่วนใหญ่เป็นแบบแมนนวลหรือแบบกึ่งอัตโนมัติ และมีอันตรายที่ซ่อนอยู่ เช่น ไฟฟ้าลัดวงจร และความเสียหายต่อวัสดุหลักในระหว่างกระบวนการถอดแยกชิ้นส่วน
ยังคงมีปัญหาบางประการในการสะสมก๊าซและอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ก๊าซเจือปนสามารถเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการรวบรวมก๊าซ อิเล็กโทรไลต์ที่เหลือมีขนาดเล็กเกินไป ทำให้ยากต่อการรวบรวมและทดสอบ วัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่ไวต่อ โดยเฉพาะความชื้นและออกซิเจนในอากาศ นอกจากนี้ ยังได้กำหนดข้อกำหนดบางประการสำหรับเทคโนโลยีการถ่ายโอนตัวอย่างอีกด้วย
บริษัทแบตเตอรี่และบริษัทวัสดุต่างทำการวิจัยเกี่ยวกับการวิเคราะห์ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนากระบวนการผลิตและวัสดุของแบตเตอรี่ โดยมีเป้าหมายโดยตรงในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และลดต้นทุนของแบตเตอรี่ โดยส่วนใหญ่ใช้ การทดลองยืนยันเชิงบวกจำนวนมากและสะสมแม้ว่าจะมีประสบการณ์และวิธีการมากมาย แต่ก็ยังขาดประสบการณ์และเทคโนโลยีในการวิเคราะห์แบบย้อนกลับและการวิเคราะห์ที่แม่นยำ
จากมุมมองของประสิทธิภาพและประสิทธิผล บริษัทที่เกี่ยวข้องหวังว่าจะพัฒนาวิธีการวิเคราะห์ความล้มเหลวที่มีประสิทธิภาพ แม่นยำ และเป็นสากล โดยอิงจากเทคโนโลยีการทดสอบแบบเดิมที่มีอยู่ ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับกระบวนการออกแบบ การทดสอบ และการวิเคราะห์
ราคาแบตลิเธียมฟอสเฟตที่แพงไม่ได้หมายความว่าจะดีเสมอไป ทั้งนี้คุณควรพิจารณาจากหลายปัจจัย เช่น ประสิทธิภาพการทำงาน, ความปลอดภัย, ระยะเวลาการใช้งาน, ความเหมาะสมกับการใช้งาน เป็นต้น ในบางครั้งสินค้าที่มีราคาแพงอาจมีคุณภาพที่ด้อยกว่าสินค้าราคาถูก
โดยปกติจะมีการสันนิษฐานว่าราคาแบตเตอรี่จักรยานไฟฟ้าที่สูงขึ้นในรถจักรยานไฟฟ้าบ่งบอกถึงคุณภาพที่ดีขึ้น แต่ไม่เป็นความจริงทุกครั้ง การสร้างแบรนด์ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการปรับปรุงคุณภาพที่สำคัญของแบตเตอรี่บางชนิดเสมอไป และนี่คือเหตุผลว่าทำไมแบตเตอรี่ถึงมีราคาสูงเกินไป
ความต้องการและการใช้งาน: หากคุณต้องการใช้แบตเตอรี่ที่ไม่ต้องการความทนทานมากหรือต้องการประหยัดค่าใช้จ่าย แบตราคาถูกถือเป็นการตอบโจทย์ แต่หากต้องการแบตเตอรี่ที่ทนทานและมีการรับประกันคุณภาพระยะยาว ควรเลือกแบตเตอรี่ที่ราคาแพง
