电芯循环失效分析流程探讨

新能源乘用车所使用的三元动力电池，寿命质保要求8年或15万公里甚至更高，假设充满电一次能跑400公里，那么电池包的寿命需要有400-500次，如果折算到电芯上，考虑整车使用过程中一年四季温度差异和电芯的一致性水平，主机厂要求单体电芯的循环寿命，常温需要达到1500到2000次以上的水平，高温也需要达到800到1000次以上的水平。

如果电芯的循环寿命实际测下来，同目标有较大的差距，那么这种情况我们一般定义为循环失效，需要进行失效分析，找到其失效原因，给出针对性的解决方案，进而达到客户的寿命目标要求。

对于动力电芯研发的工程师来说，循环失效是我们在开发阶段经常遇到的问题，大致可以分为跳水型和直线Fading型，示意图如下：

由于失效电芯不可复制，如果拿到马上就去拆解，可能错过部分重要的无损分析，较为遗憾；如果事无巨细，没有特别明确目标，各种高大上的测试都来一遍（GC，SEM，CP，ICP，扣电，对称电池等），最终各种的测试结果也难以得出有效的结论，无法支持我们下一步的改善。笔者在方形电芯开发过程中，结合自己做的循环失效问题分析的一些体会，针对分析的思路，做以下分享:

分析思路是主要按照PDCA法则来进行，具体如下图：（也可选择5Why，3W2H，8D等，只要能解决问题即可，重在灵活运用）

分析的第一步要去思考:

真正的问题是什么？

循环跳水更深层次的问题是什么？

如何去挖掘？

……………

要回答这些问题，数据排查和搜集是必不可少的，可以从下几个方面入手：

1. 电芯整体分析：小电流恢复，判断容量损失是否可以恢复；EIS分析对比失效电芯的阻抗变化；如果有需求，需要观察电芯内部结构变化，也可以进行CT分析，看失效电芯内部JR的状态变化（费用较高）。

2. 电芯设计排查，分析电芯的设计是否合理，如材料体系搭配是否合理，CB是否合适，压密是否过大等；

3. 测试过程排查，观察是否在测试环节有异常，同时要查看过程测试的DCR，膨胀力，C/D等数据，观测拆掉电芯夹具后电芯是否鼓胀等；

4. 制程数据排查，分析在电芯制造的各个环节，来料和过程数据是否有异常，排查清单举例如下：

1. 相同化学体系排查，分析相同化学体系的设计，在小软包上验证有无问题，有条件的话，也可查看在其他项目上，是否也出现过类似问题；

通过这些初步的定位分析，我们基本对循环失效电芯外在的性能表现（DCR增长异常，膨胀力增长过快，来料批次有波动等，注液系数不足，电芯故障产气等）做出可能的失效原因预估，这样在下一步的电池拆解过程中，我们就可以有目的的去观察相关的细节和保留样品。

第二步，电芯拆解看什么和留什么

电池拆之前，先想一下我们要在什么状态下拆解，如果为了观察界面，最好满充态，如果单纯为了后续留样分析，进行各种电池制作，则满放态较好。电芯拆开之后，界面情况，卷心不同位置厚度，游离的电解液的量，阳极析锂情况，极片厚度等，要进行完整的拍照，记录，根据我们后续的实验计划安排，针对极片，隔膜和游离电解液（如果有）分别密封留样。

第三步，根据拆解结果设计验证实验验证猜想

失效分析做到这一步很关键，这时候已经根据排查和拆解的数据，有了一个小范围的推测，此时需要根据实际情况，列出可能的失效原因（简单的FTA失效分析树），可以用Xmind来快速有效的帮助分析，设计对应的实验，做有针对性的测试。举例如下：

第四步就是制定改善措施并验证的过程，这一步就是根据验证得到的失效原因，提出对应的改善方案，设计新的电芯，测试评估结果。如果最终测试结果表明，电芯循环得到了提升，且达到了目标，那么失效分析即可结束；如果没有，则要按照PDCA法则，持续进行分析和改善。

总结下来，电芯失效分析的工作需要有较为清晰的逻辑思维能力，同时需要较为丰富的研发和生产经验。对于刚开始从事电芯开发的小伙伴来说，失效分析不失为一个锻炼提升思维能力的好方法。