Analisi dei meccanismi di corrosione nelle celle al litio-ferro rivestite in alluminio-: miglioramento della sicurezza e della longevità

Con il rapido sviluppo dei nuovi veicoli energetici, dei sistemi di accumulo dell'energia e dell'elettronica di consumo, i requisiti di sicurezza, densità di energia e ciclo di vita delle batterie agli ioni di litio- sono in costante aumento. Grazie alla loro eccellente resistenza meccanica, alla loro leggerezza e alle capacità superiori di dissipazione del calore, gli involucri in alluminio sono diventati una soluzione di imballaggio chiave per molte batterie di accumulo di energia. In particolare, gli involucri in alluminio sono ampiamente utilizzati nelle batterie prismatiche, fornendo una protezione strutturale affidabile e una gestione termica delle celle della batteria.

 

Rispetto alle celle a sacchetto e ad alcuni modelli di batterie cilindriche, le batterie con involucro in alluminio- offrono resistenza agli urti e stabilità dimensionale superiori. Soprattutto nei sistemi di batterie ad alta-capacità, gli involucri in alluminio migliorano efficacemente la rigidità complessiva delle celle e riducono il rischio di deformazione causata da sollecitazioni meccaniche esterne durante il trasporto e il funzionamento; di conseguenza, sono ampiamente utilizzati nel trasporto ferroviario, nello stoccaggio di energia elettrica e nelle nuove applicazioni per veicoli energetici.

 

In normali condizioni operative, sulla superficie dell'involucro di alluminio si forma uno strato di passivazione di ossido denso e stabile. Questa pellicola protettiva impedisce efficacemente il contatto diretto tra il substrato metallico e il supporto esterno, migliorando così la resistenza alla corrosione. Per gli involucri in alluminio utilizzati nelle celle delle batterie ai polimeri di litio-, l'integrità di questo strato di passivazione è direttamente collegata all'affidabilità a lungo termine-e alla durata di servizio dell'alloggiamento della batteria.

 

Ulteriori analisi utilizzando la spettroscopia a dispersione di energia (EDS) hanno rivelato che mentre l'involucro intatto è costituito principalmente da alluminio, le aree corrose contengono quantità significative di ossigeno e carbonio. Ciò indica che il processo di corrosione comporta la formazione di nuovi prodotti di reazione chimica e complessi cambiamenti elettrochimici.

 

L'analisi mediante diffrazione di raggi X (XRD) ha mostrato che i prodotti della corrosione sono costituiti principalmente da carbonato di litio e quantità minori di composti di litio-alluminio. Ciò suggerisce che, in condizioni specifiche, gli ioni di litio partecipano alle reazioni chimiche sulla superficie dell'involucro. Nel caso di involucri di batterie al litio prismatiche, se si forma un collegamento elettrico tra l'elettrodo negativo e l'involucro, gli ioni di litio possono migrare preferenzialmente verso l'involucro e subire una reazione di intercalazione.

 

Meccanicamente, il reticolo metallico di alluminio possiede una configurazione strutturale che accoglie l'intercalazione degli ioni di litio. Quando l'elettrodo negativo entra in contatto diretto con l'involucro, alcuni ioni di litio possono entrare nel reticolo di alluminio per formare composti di litio-alluminio. Man mano che la reazione procede, sulla superficie dell'involucro si formano prodotti intermedi quali ossido di litio e idrossido di litio; questo è il motivo principale per cui i campioni corrosi mostrano una distinta alcalinità.

 

Con il progredire della corrosione, questi composti del litio reagiscono con l’anidride carbonica atmosferica, producendo infine notevoli depositi di carbonato di litio. Negli involucri delle batterie al litio ferro fosfato (LFP), tali depositi non solo compromettono l’integrità strutturale dell’involucro, ma accelerano anche il consumo di elettrolita e aumentano l’impedenza interna, portando a un continuo degrado della capacità della batteria.

 

 

Oltre alle reazioni chimiche stesse, i cambiamenti nel potenziale dell'involucro sono un fattore critico che influenza la corrosione. La ricerca indica che mentre in una cellula sana viene mantenuta una differenza potenziale significativa tra l'involucro e l'elettrodo negativo, questa differenza scende quasi a zero nelle cellule sottoposte a corrosione. Per le celle agli ioni di litio- con rivestimento in alluminio, una bassa differenza di potenziale spesso segnala un guasto nel sistema di isolamento, creando così le condizioni che consentono il progresso della reazione di corrosione.

 

Dal punto di vista della produzione, la chiave per prevenire la corrosione risiede nel migliorare l'affidabilità dell'isolamento dell'involucro. I processi di produzione degli involucri in alluminio devono controllare rigorosamente le dimensioni degli elettrodi, le tolleranze dimensionali e il posizionamento dell'assemblaggio; contemporaneamente, l'isolamento nella zona della linguetta deve essere rinforzato per evitare il contatto diretto tra l'elettrodo negativo e l'involucro. Inoltre, dovrebbero essere istituiti meccanismi robusti per monitorare il potenziale dell'involucro e selezionare i prodotti per identificare le cellule con potenziali rischi nella fase più precoce possibile.

 

In sintesi, la corrosione dell'involucro di alluminio è fondamentalmente un processo elettrochimico complesso guidato da un contatto anomalo tra l'elettrodo negativo e l'elettrodo negativoGuscio della batteria in alluminio, che innesca una reazione a catena che prevede l'intercalazione degli ioni di litio nell'alluminio metallico. Con l'evoluzione delle batterie ad alta-densità di energia-, l'ottimizzazione dei materiali dell'involucro in alluminio, il miglioramento delle strutture di isolamento e i continui progressi nelle tecnologie di ispezione in-linea saranno cruciali per migliorare la sicurezza, l'affidabilità e la durata delle batterie agli ioni di litio-.