您是否有過(guò)這樣的經(jīng)歷：新購(gòu)置的筆記本電腦或者數(shù)碼相機(jī)，放置一段時(shí)間未使用后，再次啟用時(shí)發(fā)現(xiàn)電量明顯下降？這種現(xiàn)象很可能是由電池自放電導(dǎo)致的。而金屬異物，正是引發(fā)電池自放電的重要因素之一。

　自放電機(jī)理：金屬異物的“作案現(xiàn)場(chǎng)”

　　金屬異物導(dǎo)致電池自放電的本質(zhì)，需從電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡釋。在理想狀態(tài)下（開(kāi)路條件），電池正極（陰極）與負(fù)極（陽(yáng)極）之間應(yīng)處于電化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生顯著反應(yīng)。

　　然而，引入的金屬異物作為非預(yù)期的導(dǎo)電介質(zhì)，可通過(guò)以下主要途徑引發(fā)自放電（如圖1所示）：

　　圖一：金屬異物導(dǎo)致內(nèi)短路示意圖

　　物理短路

　　金屬異物（如銅、鋁屑）可能機(jī)械性刺穿隔膜，在正負(fù)極間形成直接的電子導(dǎo)通路徑，導(dǎo)致內(nèi)部短路。

　　化學(xué)-電化學(xué)短路

　　化學(xué)-電化學(xué)短路（金屬離子遷移與枝晶生長(zhǎng)）：
　　特定金屬（如鎳、鈷、銅）在正極高電位環(huán)境下會(huì)發(fā)生氧化溶解，生成金屬離子（M??）。
　　這些溶解的金屬離子（M??）隨電解液遷移至負(fù)極（低電位區(qū)）。
　　在負(fù)極表面，金屬離子（M??）被還原，沉積析出并可能生長(zhǎng)為具有高導(dǎo)電性的金屬枝晶（Dendrites）。
　　不斷生長(zhǎng)的枝晶最終可能穿透隔膜，連接正負(fù)極，形成電子通路。

　　自放電成因

　　上述兩種機(jī)制形成的電子通路，為電池內(nèi)部?jī)?chǔ)存的電量提供了非預(yù)期的、持續(xù)的釋放回路，導(dǎo)致電荷在非工作狀態(tài)下持續(xù)消耗，即表現(xiàn)為自放電現(xiàn)象。

　　關(guān)鍵研究空白

　　值得注意的是，盡管上述機(jī)制具有普適性，但鐵（Fe）及其相關(guān)化合物影響自放電的具體作用路徑與主導(dǎo)機(jī)制，迄今尚未得到系統(tǒng)且清晰的實(shí)驗(yàn)剖析與理論闡釋。

　檢測(cè)技術(shù)

　　為準(zhǔn)確識(shí)別與表征鋰離子電池中誘發(fā)自放電的金屬異物，本研究投入了重要資源，部署了一系列先進(jìn)的材料表征技術(shù)。

　　其中，聚焦離子束-掃描電子顯微鏡（Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope,FIB-SEM）系統(tǒng)是進(jìn)行失效位點(diǎn)精確定位與分析的關(guān)鍵設(shè)備。

　　圖二：拆解后短路位點(diǎn)a隔膜b滿(mǎn)充陽(yáng)極

　　實(shí)驗(yàn)流程

　　樣品制備：在氬氣氣氛手套箱（<0.1ppm O?/H?O）內(nèi)，對(duì)篩選出的高自放電率失效電池進(jìn)行系統(tǒng)性拆解。

　　失效位點(diǎn)定位：通過(guò)電性能測(cè)試與初步形貌觀(guān)察，系統(tǒng)定位疑似由金屬異物引發(fā)的內(nèi)部失效區(qū)域。

　　微觀(guān)形貌表征：利用FIB-SEM系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡（SEM）模塊，獲取失效區(qū)域樣品表面的高分辨率二次電子（SE）或背散射電子（BSE）圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)（如隔膜穿孔、電極表面沉積物、枝晶形貌等）的清晰觀(guān)測(cè)。

　　元素成分分析：結(jié)合SEM成像，同步啟用該系統(tǒng)的能量色散X射線(xiàn)光譜（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS）功能。

　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖三：負(fù)極失效點(diǎn)不同區(qū)域EDS能譜結(jié)果

　　圖三展示了鋰離子電池負(fù)極失效點(diǎn)不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果，通過(guò)能量色散X射線(xiàn)光譜（EDS）技術(shù)對(duì)樣品表面元素成分進(jìn)行定量分析。

　　圖中包括三個(gè)不同區(qū)域的EDS譜圖，分別標(biāo)記為表1、表2和表3，每個(gè)表對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的區(qū)域分析結(jié)果。

　　在圖三的顯微圖像中，可以看到三個(gè)標(biāo)記區(qū)域（1、2、3），這些區(qū)域代表了在負(fù)極失效點(diǎn)的不同位置。

　　綜合三個(gè)區(qū)域的EDS分析結(jié)果，可以觀(guān)察到不同區(qū)域的元素組成存在顯著差異。特別是鐵元素在表1區(qū)域的含量較高，這可能與電池內(nèi)部的金屬異物有關(guān)，這些異物可能導(dǎo)致電池的自放電問(wèn)題。

　　圖四：a和b為隔膜失效位點(diǎn)表面&截面背散射電子圖像；c為隔膜截面EDS面掃圖（C、Al、Fe、F）

　　關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

　行業(yè)啟示：制程管控與機(jī)制探索的雙重使命

　　本次檢測(cè)到的含鐵、氟化合物的存在，揭示出金屬雜質(zhì)對(duì)鋰離子電池性能的影響機(jī)制可能存在尚未明確的路徑。

　　該發(fā)現(xiàn)對(duì)解決金屬異物誘導(dǎo)的電池自放電問(wèn)題具有雙重啟示：

　　制造過(guò)程管控：現(xiàn)行依賴(lài)嚴(yán)格制程控制的方法無(wú)法覆蓋潛在未知機(jī)制；

　　深化機(jī)制研究：必須系統(tǒng)探究異物的電化學(xué)行為及其與電池組分的相互作用。

　CTI華測(cè)檢測(cè)服務(wù)能力

　　CTI華測(cè)檢測(cè)作為專(zhuān)業(yè)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，依托先進(jìn)的鋰離子電池失效分析實(shí)驗(yàn)室與經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，致力于為鋰電行業(yè)客戶(hù)提供全方位、高質(zhì)量的失效分析檢測(cè)服務(wù)。

　　實(shí)驗(yàn)室配備氬離子拋光系統(tǒng)（CP）、掃描電子顯微鏡（SEM）、雙束電子顯微鏡（FIB-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、三維X射線(xiàn)顯微鏡（XRM）等行業(yè)領(lǐng)先設(shè)備，可對(duì)鋰離子電池的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及電化學(xué)性能進(jìn)行深入全面的檢測(cè)分析，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。