锂电失效机理｜正极颗粒开裂——电池容量衰减的关键诱因

        在当今能源存储领域，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等优势，被广泛应用于各类电子设备与新能源汽车。然而，随着使用时间的推移，锂离子电池性能的衰退问题逐渐凸显，深入探究其失效机理对于延长电池寿命、提升电池安全性至关重要。

失效机理分析

        锂离子电池在充放电循环过程中，正极材料（如常见的镍钴锰酸锂（NCM）、钴酸锂（LCO）等）会经历锂离子的脱嵌过程。

        这一过程伴随着材料的周期性体积膨胀与收缩，应变幅度可达 2%～5%。颗粒内部随之累积机械应力，当应力值超越材料的断裂强度阈值时，颗粒开裂现象便不可避免地发生。这种开裂绝非孤立事件，而是会引发一系列连锁反应（如图1所示），对电池性能造成多方面的负面影响。

连锁反应剖析

活性物质损失：裂纹隔离部分活性颗粒，造成有效容量下降。

导电网络破坏：裂纹阻断电子传导路径，导致内阻显著上升。

界面副反应加剧：新生裂纹表面持续与电解液反应，加速SEI膜增厚。

先进表征方案

         在锂离子电池研究领域，科研人员通过运用先进分析手段对电极材料微观结构进行系统性研究，为精确解析电极材料裂纹的演化规律，深入揭示电池失效过程中微观结构变化，本实验室引入了一系列先进的表征设备与技术，致力于为锂离子电池失效机理研究提供强有力的支持。

Hitachi Arblade 5000

氩离子束抛光系统

•实现8mm超宽截面制备，突破传统制样局限。

•1mm/h高速研磨效率，较常规设备提升200%处理速度。

         该设备一定程度上可以帮助电池工作者解决截面制备效率低和制备截面区域太小不具备代表性的问题，有助于电池工作者将颗粒-极片-电芯性能一个个信息孤岛串联起来。

Hitachi Regulus 8220

冷场发射扫描电子显微镜

•搭载了色差极小的适合低加速电压高分辨率观察的冷场电子枪。

•具有0.7 nm（加速电压 15 kV）；0.9 nm（着陆电压 1 kV）分辨率。

         该设备在锂离子电池研究领域具有广泛适用性，可在低加速电压条件下实现高分辨成像，适用于导电/非导电样品的精细观测。尤其适用于正极材料裂纹与偏析分析、电解液副反应产物表征，以及隔膜样品和锂金属等敏感材料的高分辨观测。

案例一：循环前后NMC截面形貌分析

         为深入探究三元极片在循环过程中的结构演变，本研究采用氩离子束抛光系统对新鲜制备的三元极片及经过200次循环后的极片进行截面处理，并借助扫描电子显微镜（SEM）采集其截面形貌图像（如图2所示）。

         通过对比分析循环前后的极片截面图像，能够获取以下关键结构信息：

•极片活性膜片和集流体厚度

•活性颗粒分布和活性颗粒接触情况

•活性颗粒内部裂缝

•活性颗粒/导电剂和胶黏剂以及孔洞分布情况

         通过对上述结构信息的详细分析，能够全面了解三元极片在循环过程中的微观结构变化，为深入研究电池性能衰减机制提供有力支持，并为优化极片设计和制备工艺、延长电池使用寿命提供理论依据。

案例二：浮充LCO极片截面形貌分析

         图3所示为采用氩离子抛光仪制备的极片截面转移到扫描电镜中获取的钴酸锂高压浮充前后的极片截面形貌。从截面可获取如下信息：

颗粒破裂与层状结构坍塌：浮充后钴酸锂颗粒出现明显裂缝和片层结构断裂，表明高压浮充（如4.5V以上）导致晶格应力累积，引发颗粒机械破碎。

电解液渗透：裂纹为电解液（如LiPF6/EC-DMC）提供了渗透通道，可能加速副反应（如电解液氧化、Co溶出）。

         高压浮充导致的钴酸锂结构破坏是典型材料-电解液-工况耦合失效案例。通过浮充测试揭示此类问题，可指导从材料到系统的全方位优化，平衡高电压需求与长期可靠性。对于要求高能量密度的场景，需综合评估材料成本、寿命及安全性的平衡。

         随着市场对锂离子电池性能要求的不断攀升，高效稳定的氩离子抛光系统（CP）和高分辨扫描电子显微镜技术（SEM）的协同应用，在锂离子电池材料研发、工艺优化和失效分析中，正扮演着愈发关键的角色。

         CTI 华测检测凭借资深技术团队，可为客户提供锂离子电池一站式检测与验证服务。此外还提供全面的芯片性能检测、可靠性验证与失效分析，测试及验证环节严谨规范，服务流程紧密协同，全方面助力客户精准把控产品质量，提升市场竞争力。相关服务直达：芯片检测