Mekanisme Kakisan, Mod Kegagalan dan Strategi Perlindungan Sistematik untuk Bateri Ion-Litium Bersarung-Aluminium

Kakisan selongsong bateri aluminium terutamanya dikategorikan kepada dua jenis: kakisan luaran dan kakisan dalaman. Kakisan luaran berpunca daripada pendedahan bateri kepada bahan menghakis-seperti asid dan alkali (cth, air hujan atau agen pembersih)-semasa penyimpanan atau operasi, yang secara langsung menghakis permukaan selongsong aluminium. Hakisan dalaman, sebaliknya, lebih berbahaya dan berpotensi lebih berbahaya; puncanya terletak pada interkalasi litium ke dalam struktur aluminium di bawah keadaan elektrokimia tertentu. Apabila potensi selongsong aluminium turun kepada antara 0.2 dan 0.4 V (berbanding Li/Li⁺), ion Li⁺ berinterkalasi ke dalam kekisi kristal aluminium untuk membentuk aloi antara logam seperti LiAl dan Li₃Al₂.

Proses ini mendorong pengembangan dan keretakan kekisi, akhirnya menyebabkan aluminium menjadi lumat, kehilangan kilauan logamnya, dan membentuk lapisan kakisan berliang. Proses degradasi ini biasanya dicetuskan oleh litar pintas yang tidak disengajakan antara elektrod negatif dan selongsong aluminium.

Untuk kakisan dalaman berlaku, tiga syarat mesti dipenuhi serentak: kehadiran laluan elektron, laluan ion, dan potensi menghakis. Daripada jumlah ini, laluan ion (disediakan oleh elektrolit) tidak dapat dielakkan; oleh itu, menyekat laluan elektron dan mengawal beza potensi membentuk strategi teras untuk pencegahan kakisan. Dalam reka bentuk standard, selongsong aluminium sel bateri prismatik memastikan pengasingan elektrik lengkap antara elektrod negatif dan selongsong melalui penggunaan bahan penebat (seperti filem penebat atau gasket penutup atas-).

Walau bagaimanapun, jika elektrod negatif bersentuhan dengan dinding dalam selongsong-sama ada disebabkan oleh kecacatan pembuatan (cth, tab elektrod yang terlalu panjang, pelekat penebat yang disesarkan, atau pengkapsulan belitan yang lemah) atau kerosakan mekanikal luaran-voltan antara elektrod negatif dan selongsong akan menghampiri {0 V} pengakisan litium. Kajian eksperimen telah menunjukkan bahawa, berikutan beberapa kitaran-penyahcasan cas, bateri yang terjejas seperti itu kerap kali menunjukkan perforasi dan kebocoran elektrolit di sekitar injap kalis-letupan.

Tambahan pula, litar pintas luaran menimbulkan risiko yang sama besar. Jika permukaan luar selongsong bateri mewujudkan laluan konduktif ke terminal negatif-disebabkan oleh sisa elektrolit atau sentuhan dengan objek logam luaran (seperti lekapan ujian atau wayar)-ia juga boleh menekan voltan selongsong ke dalam julat potensi menghakis. Penyelidikan menunjukkan bahawa bateri dengan voltan selongsong awal 1–2 V, apabila dikenakan-kitaran nyahcas selepas litar pintas buatan diwujudkan dengan terminal negatif, dengan cepat menunjukkan tanda-tanda kakisan selongsong aluminium. Pada peringkat pek bateri (PACK), jika selongsong aluminium sel individu bersebelahan bersentuhan elektrik, ia mengubah potensi pengedaran merentas keseluruhan litar siri. Ini boleh menyebabkan voltan selongsong sel individu tertentu menurun secara luar biasa rendah-atau malah menjadi negatif-sehingga mencetuskan kakisan setempat. Contohnya, dalam pek bateri tiga-sel, litar pintas antara selongsong aluminium sel pertama dan terakhir boleh menyebabkan voltan selongsong sel terminal turun kepada -1.5 V, sekali gus mempercepatkan kegagalannya.

Faktor persekitaran juga tidak boleh diabaikan. Jika bateri bersarung aluminium-yang direka untuk kenderaan tenaga baharu direndam dalam air berasid lemah (pH ≈ 5), voltan selongsong kekal sukar untuk pulih sepenuhnya, walaupun selepas pengeringan. Jika kitaran pengecasan dan nyahcas berterusan dalam keadaan terjejas ini, kadar kakisan mempercepatkan dengan ketara. Ini berlaku kerana kehadiran lembapan memperkenalkan laluan ion tambahan, manakala ion kekotoran memangkinkan tindak balas elektrokimia. Lebih kritikal, dalam keadaan voltan selongsong rendah, litium logam boleh terus memendap ke permukaan selongsong aluminium, seterusnya memburukkan lagi pengaloian kakisan.

Kesan kakisan pada prestasi bateri menunjukkan kesan tertunda. Semasa fasa awal (cth, 400 kitaran pertama), pengekalan kapasiti bateri bersarung aluminium-boleh dicas semula kelihatan tidak dapat dibezakan daripada unit biasa yang tidak berkarat; walau bagaimanapun, semasa kitaran berjalan, litium aktif secara berterusan digunakan dalam tindak balas lithiation yang berlaku pada selongsong aluminium, yang membawa kepada kehilangan bahan aktif yang tidak dapat dipulihkan pada katod. Selepas 1,500 kitaran, pengekalan kapasiti bateri yang terhakis mungkin menjunam daripada 88% kepada serendah 60%. Dari segi prestasi kadar, tiada perbezaan ketara diperhatikan semasa kadar pelepasan di bawah 5C; bagaimanapun, pada kadar nyahcas yang tinggi melebihi 10C, rintangan dalaman bateri yang terhakis meningkat, mengakibatkan kemerosotan prestasi yang ketara.