电池鼓包

锂离子电池可靠性技术发展现状研究

摘要：首先简要总结了锂离子电池常见的几种失效表现及其深层次原因，总

结了锂离子电池复杂的失效因果关系。其次，阐述了目前锂离子电池可靠性的研

究进展。然后，分析了锂离子电池失效分析和可靠性研究面临的挑战。最后，对

锂离子电池失效分析和可靠性技术的未来发展进行了展望，并提出了相应的对策

和建议。

关键词:锂离子电池；故障分析；可靠性；退化的

1锂离子电池的失效性能

锂电池的失效是指由于某些特定原因导致的电池性能下降或使用性能异常。

锂离子电池的失效可分为两类，即性能失效和安全失效[1]。性能失效是指电池

性能达不到使用要求和相关指标，主要表现为容量衰减或跳水、循环寿命短、倍

率性能差、一致性差、易自放电和高低温性能衰减等。安全是指锂电池因使用不

当或滥用而出现具有一定安全风险的故障，如热失控、漏液、析锂、短路、膨胀

变形等。

1.1容量衰减

容量衰减可分为可逆和不可逆。可逆的容量衰减可以通过改善电池的使用环

境来恢复，而不可逆的容量衰减不能通过措施来改善恢复的损失容量。电池容量

衰减的本质原因在于材料本身的失效，与电池制造工艺、电池使用环境等因素密

切相关。比如正极材料的材料结构或微观结构变化导致的电接触失效，石墨负极

材料表面固体电解质界面相(SEI)过度生长导致的电池体系中Li+含量降低，电解

液化学分解导致的可运输Li+减少等，正负极集流体腐蚀导致的导电性不良，极

片涂布、卷绕等电池制造工艺导致的缺陷与电池容量和倍率性能密切相关[2]。

1.2内部电阻增加

导致锂离子电池内阻增大的因素主要是内部材料的变化和使用环境的异常。

例如，电解质分解以在负电极的表面上形成SEI膜。SEI膜可以显著地允许锂离

子在其中传输，同时可以很好地阻挡电子的进入和溶剂分子的共嵌入，有效地阻

止电解液的进一步分解，保证电化学反应的继续进行。但在高温或过载条件下，

SEI膜会过度生长，不断消耗锂离子、溶剂和锂盐，产生负接触损耗，导致电池

界面电阻显著增加。又如充电过程中，电解液在高电位(3.8V以上)下在阳极表面

被氧化分解，形成惰性层，增加了阳极材料的电荷交换电阻。低温时，由于电解

液粘度增大，锂离子扩散系数降低，导致极化阻抗增大，放电平台减小，容量降

低。高温会导致电池电解液分解变质，也会增加阻抗。此外，正负极材料的结构

变化、活性物质与集流体的分离、高倍率充放电等也会增加电池的内阻。

1.3内部短路

a)电池工艺缺陷

在电芯加工过程中，极片边缘错位或卷绕不均匀，容易造成正负极冗余不足，

造成负极储存锂不足，导致锂析出，进而因锂枝晶刺穿隔膜导致正负极短路。常

见的由电池的工艺缺陷引起的内部短路还包括电池生产加工过程中处理不当引入

的金属异物引起的短路、极片变形和碎屑起皱引起的短路等。

b)隔膜故障

隔膜失效的主要原因包括:锂枝晶穿透隔膜、高温下隔膜密闭性和长期循环

引起的结构变化等。这种短路主要是由于隔膜失效后，隔离电子的作用会大大降

低，或者隔膜的间隙变大，正负极的微接触造成短路，可能会进一步导致热失控。

c)其他诱发因素

在电池过充过放的诱导下，也会发生内部短路，这主要是由于集流体的腐蚀

和腐蚀物在电极表面的沉积。严重时会穿过隔膜连接阳极和阴极造成短路。

1.4鼓包

电解液在负极分解形成稳定的SEI膜并伴随少量气体产生，但在高温或过充

的情况下，电解液容易分解释放气体或阳极材料释放氧气，导致柔性电池鼓包，

引发火灾、爆炸等安全隐患。气体的产生与电解液的含水量、活性物质的杂质、

电池充放电系统、环境温度密切相关。比如在高温下，电解液分解变质会加速生

成气体，电解液中的水与锂盐反应生成HF，从而加速Al集流体的腐蚀，生成H

2

，

造成电池鼓包变形。

1.5热失控

热失控的情况大多是内部短路导致的热量积累。由于电池本身导热性能差，

热量进一步积累并引发连锁化学反应，导致热量极大，升温加快且难以控制，甚

至发生火灾和爆炸。引发锂离子电池热失控的因素可分为滥用热失控和自诱导热

失控。失控热滥用可分为机械滥用(挤压、刺穿和冲击等)、电气滥用(过充、过

放、外部短路等)和热滥用(温度过高/过低等)。自感应热失控主要是由内部的缺

陷和瑕疵引起的，事先没有明显的电、热、力等外部特征，具有很强的随机性和

不确定性。

1.6锂沉淀

锂析出是锂离子电池失效的重要原因之一。锂析出会减少可逆锂离子，降低

电池容量和寿命。严重时锂枝晶会穿透隔膜形成短路，造成安全隐患。实验表明，

锂析出量与温度和充电电流呈正相关关系。温度越低，越容易析出锂；充电电流

越高，越容易析出锂。当充电电流过高时，锂离子向负极的传输速度超过锂离子

嵌入负极材料的速度。由于石墨的嵌锂电位接近锂的还原电位，锂离子以金属锂

的形式沉积在负极表面，产生锂沉淀。此外，隔膜的瑕疵或缺陷、负极材料和界

面接触问题引起的极化过程导致电位下降，当达到Li+还原电位时，也会引起锂

在负极表面的沉积。

2锂离子电池可靠性的研究现状

目前，锂离子电池的研究模型主要有电化学模型、等效电路模型和黑箱模型。

通常基于内部物理化学变化规律和样本数据，基于性能退化理论将退化性能与温

度、电流等应力相关联，通过简化处理构建退化模型。但模型精度普遍不高，有

待进一步探索。

韩子娇[3]等基于等效电路模型，研究了基于加速寿命试验的锂离子电池可

靠性分析方法。考虑不同放电深度对锂离子电池寿命的影响，建立了锂离子电池

寿命衰减模型。提出了一种基于逆幂律方程的储能系统加速寿命试验方法，并基

于情景分析对锂离子电池进行了可靠性分析。结果表明，该文提出的测试方法能

够准确评估不同工况下锂离子电池储能系统的可靠性，保证储能系统并网运行时

调控的准确性。

朱晓栋[4]针对锂离子电池寿命预测的随机性和不确定性特点，基于常用的

随机退化效应维纳过程建模，推导出随机效应约束下的寿命分布函数，进而得到

剩余寿命分布函数。最大对数似然函数EM算法用于迭代容量退化数据，估计模

型参数并验证分析。实验结果表明，随着样本量的增加，剩余寿命预测具有较好

的准确性。

刘天宇等[5]人对传统的通用退化轨道模型进行了改进，得到了一种新的退

化轨道模型，并成功应用于复杂温度应力下锂离子电池的容量退化建模和可靠性

评估，大大提高了模型的精度。该模型综合考虑了应力变化对退化过程可能产生

的应力加速效应和补偿效应，采用广义非线性最小二乘法估计模型参数，采用伪

寿命法推断产品寿命分布和可靠性函数，采用自助法计算可靠性指标区间估计，

较传统退化模型大大提高了精度。

3结论

长期以来，人们对锂离子电池的研究主要集中在安全性方面，对失效性能和

机理做了一些研究，但对锂离子电池可靠性技术的应用研究还处于探索阶段。

a)加强失效机理的研究。锂离子电池复杂的制备工艺、系统组成、应用环境

和因果关系给锂离子电池失效分析的发展带来了巨大的挑战。我们对锂电池内部

的物理化学变化还不完全了解，需要系统地加强对内部机理的深入研究。

b)建立统一的失效分析标准。不同材料体系、不同失效性能的失效现象表达

和分析过程尚未建立完整统一的标准和规范，锂电池失效分析的标准化亟待推进。

c)优化可靠性评估方法。充分考虑复杂应用环境下多应力耦合的实际情况，

加强退化模型的研究和改进，简化建模过程，提高评估精度，探索适合工程应用

的可靠性分析方法。

参考文献

[1]王其钰，王朔，张杰男，等.锂离子电池失效分析概述[J].储能科学与技

术，2017，6（5）：1008-1024.

[2]赵振博，魏勇，陈程成，等.锂离子电池工艺缺陷及失效模式研

究[J].电子产品可靠性与环境试验，2019，37（5）：55-58.

[3]韩子娇，苑舜，马少华，等.基于加速寿命试验的锂离子电池可靠性分析

方法[J]．可再生能源，2021，39（2）：258-263.

[4]朱晓栋.锂离子电池剩余使用寿命预测方法研究[D].南京：南京航空航天

大学，2017.

[5]刘天宇.复杂退化过程下产品可靠性评估与剩余寿命预测方法研究

[D].长沙：国防科技大学，2016.