失效分析｜金属异物如何“悄无声息”引发电池自放电？-CTI华测检测官方商城

  您是否有过这样的经历：新购置的笔记本电脑或者数码相机，放置一段时间未使用后，再次启用时发现电量明显下降？这种现象很可能是由电池自放电导致的。而金属异物，正是引发电池自放电的重要因素之一。

自放电机理：金属异物的“作案现场”

金属异物导致电池自放电的本质，需从电池内部结构和工作原理进行阐释。在理想状态下（开路条件），电池正极（阴极）与负极（阳极）之间应处于电化学稳定状态，不发生显著反应。

然而，引入的金属异物作为非预期的导电介质，可通过以下主要途径引发自放电（如图1所示）：

图一：金属异物导致内短路示意图

物理短路

金属异物（如铜、铝屑）可能机械性刺穿隔膜，在正负极间形成直接的电子导通路径，导致内部短路。

化学-电化学短路

化学-电化学短路（金属离子迁移与枝晶生长）：

•特定金属（如镍、钴、铜）在正极高电位环境下会发生氧化溶解，生成金属离子（Mⁿ⁺）。

•这些溶解的金属离子（Mⁿ⁺）随电解液迁移至负极（低电位区）。

•在负极表面，金属离子（Mⁿ⁺）被还原，沉积析出并可能生长为具有高导电性的金属枝晶（Dendrites）。

•不断生长的枝晶最终可能穿透隔膜，连接正负极，形成电子通路。

自放电成因

  上述两种机制形成的电子通路，为电池内部储存的电量提供了非预期的、持续的释放回路，导致电荷在非工作状态下持续消耗，即表现为自放电现象。

关键研究空白

值得注意的是，尽管上述机制具有普适性，但铁（Fe）及其相关化合物影响自放电的具体作用路径与主导机制，迄今尚未得到系统且清晰的实验剖析与理论阐释。

为准确识别与表征锂离子电池中诱发自放电的金属异物，本研究投入了重要资源，部署了一系列先进的材料表征技术。

其中，聚焦离子束-扫描电子显微镜（Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope,FIB-SEM）系统是进行失效位点精确定位与分析的关键设备。

图二拆解后短路位点 a 隔膜 b 满充阳极

样品制备：在氩气气氛手套箱（<0.1ppm O₂/H₂O）内，对筛选出的高自放电率失效电池进行系统性拆解。

失效位点定位：通过电性能测试与初步形貌观察，系统定位疑似由金属异物引发的内部失效区域。

微观形貌表征：利用 FIB-SEM 系统的扫描电子显微镜（SEM）模块，获取失效区域样品表面的高分辨率二次电子（SE）或背散射电子（BSE）图像，实现对微观结构（如隔膜穿孔、电极表面沉积物、枝晶形貌等）的清晰观测。

元素成分分析：结合 SEM 成像，同步启用该系统的能量色散 X 射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）功能。

图三：负极失效点不同区域EDS能谱结果

图三展示了锂离子电池负极失效点不同区域的能谱分析结果，通过能量色散X射线光谱（EDS）技术对样品表面元素成分进行定量分析。

  图中包括三个不同区域的EDS谱图，分别标记为表1、表2和表3，每个表对应一个特定的区域分析结果。

  在图三的显微图像中，可以看到三个标记区域（1、2、3），这些区域代表了在负极失效点的不同位置。

综合三个区域的EDS分析结果，可以观察到不同区域的元素组成存在显著差异。特别是铁元素在表1区域的含量较高，这可能与电池内部的金属异物有关，这些异物可能导致电池的自放电问题。

图四：a和b为隔膜失效位点表面&截面背散射电子图像；

c为隔膜截面EDS面扫图（C、Al、Fe、F）

关键发现

— 本次检测到的含铁、氟化合物的存在，揭示出金属杂质对锂离子电池性能的影响机制可能存在尚未明确的路径。

— 该发现对解决金属异物诱导的电池自放电问题具有双重启示：

制造过程管控：现行依赖严格制程控制的方法无法覆盖潜在未知机制；

深化机制研究：必须系统探究异物的电化学行为及其与电池组分的相互作用。

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