一文看懂如何对过度金属元素进行失效分析

         材料失效分析在过度金属元素的检测中也是一种最成熟的材料检测技术。材料失效分析具有成本低、合成工艺简单、速率性能好等优点，在动力工具等领域得到了广泛的应用。特别是近年来，电动汽车行业发展迅速，市场对金属材料检测的需求持续上升。据不完全统计，金属材料检测是市场需求量非常大。

        在使用中，电池的衰减速度明显快于钴酸锂。一个很大的因素是由于金属材料本身的退化。过渡金属元素的溶解，特别是金属材料的结构失效，而溶解的锰元素也会对负极SEI膜造成损伤，这是导致NCM电池寿命快速下降的重要原因，因此有必要进行深入的研究。过渡金属溶解机理研究。

应注意的是，过渡金属溶解并不是导致NCM材料性能退化的唯一机制。在高截止条件下，其他机制包括：1）释放氧气；2）在循环过程中增加细胞阻抗；3）电极材料具有不可逆的相变。

相关的研究人员对过渡金属元素在不同截止电压下的溶解机理进行了深入的研究，用于材料失效分析。本实验所用的NCM材料由TODA工业有限公司提供，电池采用软包装方形电池结构。当电流密度为150mA/g时，电池分别充电至4.3V和4.6V，放电截止电压控制在2.5V。

实验发现，在4.3V的截止电压下，循环保持率可达91.4%，而当截止电压提高4.6V时，容量保持率仅为36.8%。但是，需要注意的是，根据Kasnatscheew等人的研究，NCM材料的容量损失主要是由于明显的容量损失，而不是真正的不可逆损失，以及促进Li+重新嵌入过渡金属材料的相应手段。这部分容量损失可以恢复。

        对过渡金属元素溶解的研究发现，在4.3V的截止电压下，随着循环次数的增加，负电极表面的过渡金属含量只略有增加。电池循环100次后，负极表面的锰、钴和镍的浓度分别为52、37和41ppm。在4.3 V的截止电压下测量负电极、分离器等表面上过渡金属元素的总量。根据正电极活性材料的总重量，过渡金属元素的总损失量约为0.021%（按重量计）。

然而，当截止电压增加到4.6V时，过渡金属元件的损耗达到0.45wt%，这个结果说明材料的截止电压对材料失效分析的稳定性有着决定性影响。

根据上述发现，Marco Evertz等人提出了一种新的过渡金属元素在NCM材料中的溶解机理：由于材料晶格结构的大体积膨胀，在插入和提取锂时进行了失效分析，并产生了较大的应力。因此，在活性材料粒子上形成裂纹，在pf6-的作用下，金属元素进一步溶解，从而导致过渡金属元素的溶解，并且在高截止电压下作用机理更有效。

        研究表明，影响过渡金属元素溶解的主要因素有三个：
1）合成过程中产生的晶格缺陷，如氧缺陷等；
2）原子尺度引起的材料结构畸变，如锂离子插层和解吸晶格膨胀/收缩。镶嵌造成材料断裂；
3）在循环过程中，材料从层状结构转变为尖晶石结构。

        这些都是我们今后在对过度金属做失效分析时需要注意的。我们需要采取相应的措施来稳定材料结构，提高材料在高压下的循环稳定性。