알루미늄-케이스 리튬-이온 배터리의 부식 메커니즘, 고장 모드 및 체계적인 보호 전략

알루미늄 배터리 케이스의 부식은 주로 외부 부식과 내부 부식의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 외부 부식은 보관 또는 작동 중에 배터리가 산 및 알칼리(예: 빗물 또는 세척제)와 같은 부식성 물질-에 노출되어 알루미늄 케이스 표면을 직접 침식함으로써 발생합니다. 반대로 내부 부식은 더 교활하고 잠재적으로 더 위험합니다. 그 근본 원인은 특정 전기화학적 조건 하에서 리튬이 알루미늄 구조에 삽입되는 데 있습니다. 알루미늄 케이스의 전위가 0.2~0.4V(vs. Li/Li⁺)로 떨어지면 Li⁺ 이온이 알루미늄 결정 격자에 삽입되어 LiAl 및 Li₃Al2와 같은 금속간 합금을 형성합니다.

이 과정은 격자의 팽창과 균열을 유발하여 궁극적으로 알루미늄이 분쇄되어 금속 광택을 잃고 다공성 부식층을 형성하게 됩니다. 이러한 열화 과정은 일반적으로 음극과 알루미늄 케이스 사이의 우발적인 단락으로 인해 발생합니다.

내부 부식이 발생하려면 전자 경로, 이온 경로 및 부식 가능성의 세 가지 조건이 동시에 충족되어야 합니다. 이들 중에서 이온 경로(전해질에 의해 제공됨)는 불가피합니다. 따라서 전자 경로를 차단하고 전위차를 제어하는 ​​것이 부식 방지의 핵심 전략입니다. 표준 설계에서 각형 배터리 셀의 알루미늄 케이스는 절연 재료(예: 절연 필름 또는 상단{2}}커버 개스킷)를 사용하여 음극과 케이스 사이의 완전한 전기 절연을 보장합니다.

그러나 제조 결함(예: 지나치게 긴 전극 탭, 변위된 절연 접착제 또는 불량한 권선 캡슐화) 또는 외부 기계적 손상으로 인해 음극이 케이싱의 내부 벽과 접촉하는 경우-음극과 케이싱 사이의 전압이 0V에 가까워져 리튬-삽입 부식에 필요한 조건이 생성됩니다. 실험 연구에 따르면 여러 번의 충전-주기를 거친 후 이러한 손상된 배터리는 방폭 밸브 근처에서 천공 및 전해액 누출이 자주 발생하는 것으로 나타났습니다.-

또한 외부 단락도 똑같이 심각한 위험을 초래합니다. 배터리 케이스의 외부 표면이 음극 단자에 대한 전도성 경로를 설정하는 경우-잔여 전해질 또는 외부 금속 물체(예: 테스트 고정 장치 또는 전선)와의 접촉으로 인해-마찬가지로 케이스 전압을 부식 가능성 범위로 낮출 수 있습니다. 연구에 따르면 초기 케이싱 전압이 1~2V인 배터리는 음극 단자에 인위적인 단락이 설정된 후 충전{6}}주기를 거치면 알루미늄 케이싱 부식 징후가 빠르게 나타납니다. 배터리 팩(PACK) 수준에서 인접한 개별 셀의 알루미늄 케이스가 전기적으로 접촉하면 전체 직렬 회로의 전위 분포가 변경됩니다. 이로 인해 특정 개별 셀의 케이스 전압이 비정상적으로 낮아지거나-심지어 마이너스가 되어{10}}국부적인 부식이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 3-셀 배터리 팩의 경우 첫 번째 셀과 마지막 셀의 알루미늄 케이스 사이의 단락으로 인해 터미널 셀 케이스의 전압이 -1.5V로 떨어져 고장이 가속화될 수 있습니다.

환경적 요인도 간과해서는 안 됩니다. 신에너지 차량용으로 설계된 알루미늄-케이스 배터리를 약산성 물(pH ≒ 5)에 담그면 건조 후에도 케이스 전압을 완전히 회복하기 어렵습니다. 이러한 손상된 상태에서 충전 및 방전 주기가 계속되면 부식 속도가 크게 가속화됩니다. 이는 수분이 있으면 추가적인 이온 경로가 발생하는 반면 불순물 이온은 전기화학 반응을 촉매하기 때문에 발생합니다. 더 중요한 것은 케이스 전압이 낮은 조건에서 금속 리튬이 알루미늄 케이스 표면에 직접 침전되어 합금 부식을 더욱 악화시킬 수 있다는 것입니다.

부식이 배터리 성능에 미치는 영향은 지연된 효과를 나타냅니다. 초기 단계(예: 처음 400사이클) 동안 알루미늄{4}}충전식 배터리의 용량 유지는 부식되지 않은 일반 장치의 용량 유지와 구별할 수 없을 정도로 나타납니다. 그러나 사이클링이 진행됨에 따라 활성 리튬은 알루미늄 케이스에서 발생하는 리튬화 반응에서 지속적으로 소비되어 음극에서 활성 물질의 돌이킬 수 없는 손실을 초래합니다. 1,500회 사이클 후에는 부식된 배터리의 용량 유지율이 88%에서 60%까지 급락할 수 있습니다. 속도 성능 측면에서 5C 미만의 방전 속도에서는 큰 차이가 관찰되지 않습니다. 그러나 10C를 초과하는 높은 방전율에서는 부식된 배터리의 내부 저항이 증가하여 성능이 현저하게 저하됩니다.