Korozijos mechanizmai, gedimų režimai ir sistemingos aliuminio{0}}ličio-jonų baterijų apsaugos strategijos

Aliuminio akumuliatorių korpusų korozija visų pirma skirstoma į du tipus: išorinę ir vidinę koroziją. Išorinė korozija atsiranda dėl ėsdinančių medžiagų, -tokių kaip rūgštys ir šarmai (pvz., lietaus vanduo ar valymo priemonės)-saugojimo ar veikimo metu, kurios tiesiogiai ardo aliuminio korpuso paviršių. Vidinė korozija, atvirkščiai, yra klastingesnė ir potencialiai pavojingesnė; jo pagrindinė priežastis yra ličio įsiterpimas į aliuminio struktūrą tam tikromis elektrocheminėmis sąlygomis. Kai aliuminio korpuso potencialas sumažėja iki 0,2–0,4 V (lyginant su Li/Li⁺), Li⁺ jonai įsiterpia į aliuminio kristalinę gardelę, sudarydami intermetalinius lydinius, tokius kaip LiAl ir Li3Al2.

Šis procesas skatina grotelių išsiplėtimą ir įtrūkimus, dėl kurių aliuminis susmulkina, praranda metalinį blizgesį ir susidaro akytas korozijos sluoksnis. Šį skilimo procesą paprastai sukelia atsitiktinis trumpasis jungimas tarp neigiamo elektrodo ir aliuminio korpuso.

Kad įvyktų vidinė korozija, vienu metu turi būti įvykdytos trys sąlygos: elektronų kelio, jonų kelio ir korozinio potencialo buvimas. Iš jų jonų kelias (kurį užtikrina elektrolitas) yra neišvengiamas; todėl pagrindinės korozijos prevencijos strategijos yra elektronų kelio blokavimas ir potencialų skirtumo kontrolė. Standartinės konstrukcijos prizminio akumuliatoriaus elemento aliuminio korpusas užtikrina visišką elektrinę izoliaciją tarp neigiamo elektrodo ir korpuso, naudojant izoliacines medžiagas (pvz., izoliacines plėveles arba viršutinio -dangtelio tarpiklius).

Tačiau jei neigiamas elektrodas liečiasi su vidine korpuso sienele -dėl gamybos defektų (pvz., dėl per ilgų elektrodų ąselių, pasislinkusių izoliacinių klijų ar prastos apvijos kapsuliacijos) ar išorinių mechaninių pažeidimų -įtampa tarp neigiamo elektrodo ir korpuso priartės prie 0 V. korozija. Eksperimentiniai tyrimai parodė, kad po kelių įkrovimo -iškrovimo ciklų tokiose pažeistose baterijose dažnai atsiranda perforacijų ir elektrolito nutekėjimo šalia sprogimui atsparaus vožtuvo.

Be to, išoriniai trumpieji jungimai kelia tokią pat didelę riziką. Jei išorinis akumuliatoriaus korpuso paviršius sukuria laidų kelią į neigiamą gnybtą -dėl likutinio elektrolito arba sąlyčio su išoriniais metaliniais objektais (pvz., bandymo įtaisais ar laidais)-, tai taip pat gali sumažinti korpuso įtampą į korozinio potencialo diapazoną. Tyrimai rodo, kad baterijos, kurių pradinė korpuso įtampa yra 1–2 V, kai įkraunami{6}}iškrovimo ciklai po dirbtinio trumpojo jungimo su neigiamu gnybtu, greitai atsiranda aliuminio korpuso korozijos požymių. Akumuliatoriaus (PACK) lygyje, jei gretimų atskirų elementų aliuminio korpusai susiliečia su elektra, pasikeičia potencialo pasiskirstymas visoje serijinėje grandinėje. Dėl to konkrečių atskirų elementų korpuso įtampa gali nukristi neįprastai žemai-arba netgi tapti neigiama{10}}ir taip suaktyvinti vietinę koroziją. Pavyzdžiui, trijų{12}}celių baterijų pakete dėl trumpojo jungimo tarp pirmo ir paskutinio elementų aliuminio korpusų gnybtų elemento korpuso įtampa gali nukristi iki –1,5 V, o tai pagreitina jo gedimą.

Negalima pamiršti ir aplinkos veiksnių. Jei akumuliatorius su aliuminio -korpusu, skirtas naujoms energijos transporto priemonėms, panardinamas į silpnai rūgštų vandenį (pH ≈ 5), korpuso įtampa išlieka sunkiai atkuriama net ir po džiovinimo. Jei įkrovimo ir iškrovimo ciklai tęsiasi tokioje pažeistoje būsenoje, korozijos greitis žymiai pagreitėja. Taip atsitinka todėl, kad esant drėgmės buvimui atsiranda papildomų jonų takų, o priemaišų jonai katalizuoja elektrochemines reakcijas. Dar svarbiau, kad esant žemai korpuso įtampai, metalinis litis gali tiesiogiai nusodinti ant aliuminio korpuso paviršiaus, dar labiau padidindamas legiravimo koroziją.

Korozijos poveikis akumuliatoriaus veikimui yra uždelstas. Pradinėje fazėje (pvz., per pirmuosius 400 ciklų) įkraunamo aliuminio -korpuso akumuliatoriaus talpa nesiskiria nuo įprasto, nerūdijančio įrenginio; tačiau ciklui progresuojant aktyvusis litis nuolat sunaudojamas aliuminio korpuse vykstančiose ličio reakcijose, todėl katode negrįžtamai prarandama aktyvioji medžiaga. Po 1500 ciklų korozijos pažeisto akumuliatoriaus talpa gali nukristi nuo 88 % iki 60 %. Kalbant apie greitį, didelių skirtumų nepastebėta esant žemesnei nei 5C iškrovimo spartai; tačiau esant dideliam iškrovimo greičiui, viršijančiam 10C, padidėja korozijos pažeisto akumuliatoriaus vidinė varža, todėl ženkliai pablogėja jo veikimas.