Mecanismes de corrosió, modes de fallada i estratègies de protecció sistemàtica per a bateries d'ions de liti-d'alumini-

La corrosió de les carcasses de les bateries d'alumini es classifica principalment en dos tipus: corrosió externa i corrosió interna. La corrosió externa prové de l'exposició de la bateria a substàncies corrosives-com ara àcids i àlcalis (per exemple, aigua de pluja o agents de neteja)-durant l'emmagatzematge o el funcionament, que erosiona directament la superfície de la carcassa d'alumini. La corrosió interna, per contra, és més insidiosa i potencialment més perillosa; la seva causa principal rau en la intercalació del liti a l'estructura d'alumini en condicions electroquímiques específiques. Quan el potencial de la carcassa d'alumini cau entre 0,2 i 0,4 V (en comparació amb Li/Li⁺), els ions Li⁺ s'intercalen a la xarxa cristal·lina d'alumini per formar aliatges intermetàl·lics com LiAl i Li₃Al₂.

Aquest procés indueix l'expansió i l'esquerda de la gelosia, fent que l'alumini es polveritzi, perdi la seva brillantor metàl·lica i formi una capa de corrosió porosa. Aquest procés de degradació es desencadena normalment per un curtcircuit accidental entre l'elèctrode negatiu i la carcassa d'alumini.

Perquè es produeixi corrosió interna, s'han de complir simultàniament tres condicions: la presència d'una via d'electrons, una via d'ions i un potencial corrosiu. D'aquests, la via iònica (proporcionada per l'electròlit) és inevitable; per tant, bloquejar la via electrònica i controlar la diferència de potencial constitueixen les estratègies bàsiques per a la prevenció de la corrosió. En els dissenys estàndard, la carcassa d'alumini d'una pila prismàtica de la bateria garanteix un aïllament elèctric complet entre l'elèctrode negatiu i la carcassa mitjançant l'ús de materials aïllants (com ara pel·lícules aïllants o juntes de coberta-superior).

Tanmateix, si l'elèctrode negatiu entra en contacte amb la paret interior de la carcassa-ja sigui a causa de defectes de fabricació (p. ex., pestanyes d'elèctrode excessivament llargues, adhesius aïllants desplaçats o encapsulació deficient del bobinat) o per danys mecànics externs-la tensió entre l'elèctrode negatiu i la carcassa s'aproximarà a les condicions necessàries per crear 0 V. corrosió d'intercalació-liti. Els estudis experimentals han demostrat que, després de diversos cicles de càrrega-descàrrega, aquestes bateries compromeses sovint presenten perforacions i fuites d'electròlits a les proximitats de la vàlvula a prova d'explosió-.

A més, els curtcircuits externs suposen un risc igualment important. Si la superfície exterior de la carcassa de la bateria estableix una via conductora cap al terminal negatiu-a causa de l'electròlit residual o del contacte amb objectes metàl·lics externs (com ara accessoris de prova o cables)-, de manera similar, pot reduir la tensió de la carcassa al rang de potencial corrosiu. La investigació indica que les bateries amb una tensió inicial de la carcassa d'1 a 2 V, quan se sotmeten a cicles de càrrega-descàrrega després que s'hagi establert un curtcircuit artificial amb el terminal negatiu, mostren ràpidament signes de corrosió de la carcassa d'alumini. A nivell del paquet de bateries (PACK), si les carcasses d'alumini de les cel·les individuals adjacents entren en contacte elèctric, altera la distribució de potencial a través de tot el circuit en sèrie. Això pot fer que la tensió de la carcassa de cèl·lules individuals específiques caigui anormalment baix-o fins i tot es torni negativa-, provocant així una corrosió localitzada. Per exemple, en una bateria de tres-cel·les, un curtcircuit entre la carcassa d'alumini de la primera i l'última cel·la pot provocar que la tensió de la carcassa de la cel·la terminal caigui a -1,5 V, accelerant així la seva fallada.

Tampoc s'han de passar per alt els factors ambientals. Si una bateria-de carcassa d'alumini dissenyada per a vehicles d'energia nova es submergeix en aigua poc àcida (pH ≈ 5), la tensió de la carcassa continua sent difícil de recuperar completament, fins i tot després de l'assecat. Si els cicles de càrrega i descàrrega continuen en aquest estat compromès, la taxa de corrosió s'accelera significativament. Això passa perquè la presència d'humitat introdueix vies iòniques addicionals, mentre que els ions d'impuresa catalitzen les reaccions electroquímiques. Més críticament, en condicions de baixa tensió de la carcassa, el liti metàl·lic pot dipositar-se directament a la superfície de la carcassa d'alumini, agreujant encara més la corrosió de l'aliatge.

L'impacte de la corrosió en el rendiment de la bateria presenta un efecte retardat. Durant la fase inicial (p. ex., els primers 400 cicles), la retenció de capacitat de la bateria recarregable-de la carcassa d'alumini sembla indistinguible de la d'una unitat normal sense corrosió; tanmateix, a mesura que avança el cicle, el liti actiu es consumeix contínuament en les reaccions de litiació que es produeixen a la carcassa d'alumini, donant lloc a una pèrdua irreversible de material actiu al càtode. Després de 1.500 cicles, la retenció de capacitat d'una bateria corroïda pot caure en picat des del 88% fins al 60%. Pel que fa al rendiment de la velocitat, no s'observen diferències significatives durant les velocitats de descàrrega per sota dels 5C; no obstant això, a velocitats de descàrrega elevades que superen els 10ºC, la resistència interna de la bateria corroïda augmenta, donant lloc a un deteriorament marcat del rendiment.