失效机理理想的锂电池，除锂离子在正负极之间嵌入和脱出外，不发生其他副反应，不出现锂离子的不可逆消耗。实际上，锂电池中每时每刻都有副反应存在，也有活性物质不可逆的消耗，如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等，只是程度不同而已。实际锂电池系统的每次循环中，任何能产生或消耗锂离子或电子的副反应，都可能导致锂电池容量平衡的改变。锂电池的容量平衡改变是不可逆的，并可通过多次循环进行累积，对锂电池性能产生严重影响。
造成锂电池容量衰减的原因主要如下：
1）正极材料的溶解。以尖晶石LiMn2O4为例，Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰减的主要原因。Mn的溶解沉积造成正极活性物质减少。溶解的Mn游离到负极时会造成负极SEI膜不稳定，被破坏的SEI膜再形成时会消耗锂离子，造成锂离子减少。Mn的溶解是尖晶石锂电池容量衰减的重要原因。
2）正极材料的相变化。锂离子的正常脱嵌反应总是伴随着宿主结构摩尔体积的变化，引起结构的膨胀与收缩，导致氧八面体偏离球对称性，并成为变形的八面体构型。如在LiMn2O4电池中，J-T效应所导致的尖晶石结构不可逆转变，也是容量衰减的主要原因之一。J-T效应多发生在过放电阶段。在起始材料中加入过量的锂，掺杂Ni、Co、Al等阳离子或S等阴离子可有效抑制J-T效应。
3）电解液的分解。锂电池中常用的电解液主要包括由各种有机碳酸酯（如PC、EC、DMC、DEC等）的混合物组成的溶剂，以及由锂盐（如LiPF6、LiClO4、LiAsF6等）组成的电解质。在充电条件下，电解液对含碳电极具有不稳定性，因此会发生还原反应。电解液还原消耗了电解质及其溶剂，对锂电池容量及循环寿命产生不良影响。
4）过充电造成的容量损失。锂电池在过充电时，会造成负极锂的沉积、电解液的氧化以及正极氧的损失。这些副反应或消耗了活性物质，或产生不溶物质堵塞电极孔隙，或正极氧损失导致高电压区的J-T效应，这些都会导致锂电池容量衰减。
5）自放电。锂电池的自放电所导致的容量损失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。造成不可逆自放电的原因主要有锂离子的损失（形成不可溶的Li2CO3等物质），电解液氧化产物堵塞电极微孔，造成内阻增大等。
6）界面膜（SEI）的形成。因界面膜的形成而损失的锂离子会导致两极间容量平衡的改变，在最初的几次循环中就会使锂电池的容量下降。另外，界面膜的形成使部分石墨粒子和整个电极发生隔离而失去活性，也会造成容量损失。
7）集流体。锂电池中的集流体材料常用铜和铝，两者都容易发生腐蚀，集流体的腐蚀会导致锂电池内阻增加，从而造成容量损失。
研究动力电池系统的失效模式对提高锂电池寿命、电动车辆的安全性和可靠性、降低电动车辆使用成本有至关重要的意义。动力电池系统通常由电芯、电池管理系统、Pack系统（含功能元器件）、线束、结构件等构成。动力电池系统失效模式，可分为三种不同层级，即电芯失效模式、电池管理系统失效模式、Pack系统集成失效模式。以下针对动力电池系统（电芯/BMS/Pack）失效模式进行分析并提出相应处理措施。在动力电池系统设计时考虑各种失效模式以提高动力电池安全性。
（1）电芯失效模式
电芯的失效模式又可分为安全性失效模式和非安全性失效模式。电芯安全性失效主要原因如下：
1）电芯内部正负极短路。电池内短路是由电芯内部引起的。引起锂电池内短路的原因有很多，可能是电芯生产过程中的缺陷导致的，也可能是长期振动使电芯变形导致的。一旦发生严重内短路，便无法阻止控制，外部保险不起作用，肯定会冒烟或燃烧。对于锂电池内部短路问题，目前为止相关厂家没有办法在出厂时将有可能发生内短路的电芯100%筛选出来，只能在后期做好检测，以将发生内短路的概率降低。
2）锂电池单体漏液。这是非常危险，也是常见的失效模式。电动车辆着火的事故很多都是锂电池漏液造成的。锂电池漏液的原因包括：外力损伤，碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏，焊接缺陷、封合胶量不足造成密封性能不好等。锂电池漏液后，整个电池包的绝缘失效，单点绝缘失效问题不大，如果有两点或以上绝缘失效则会发生外短路。从实际使用情况来看，软包和塑壳电芯相比金属壳单体更容易发生漏液情况导致绝缘失效。
3）锂电池负极析锂。锂电池使用不当，过充电、低温充电、大电流充电都会导致负极析锂。国内大部分厂家生产的磷酸铁锂或三元锂电池在0℃以下充电都会发生析锂，0℃以上根据电芯特性只能小电流充电。发生负极析锂后，锂金属不可还原，导致锂电池容量不可逆衰减。析锂达到一定程度，会形成锂枝晶，刺穿隔膜发生内短路。因此动力电池在使用时应严禁低温下充电。
4）电芯胀气鼓胀。产生胀气的原因很多，主要是锂电池内部发生副反应产生气体，最典型的是与水发生副反应。胀气问题可通过在电芯生产过程中严格控制水分来避免。胀气会导致漏液等情况。
以上失效模式是非常严重的问题，可能造成人员伤亡。一个电芯使用1～2年没问题，并不代表它以后没问题，使用越久的锂电池失效的风险越高。
电芯的非安全性失效只会影响使用性能，主要有以下几点：(www.xing528.com)
1）容量一致性差。动力电池的不一致性通常指一组锂电池内，单体锂电池的剩余容量差异过大、电压差异过大，引起锂电池续航能力变差。引起锂电池间一致性变差的原因是多方面的，包括锂电池的生产制造工艺，存放时间，充放电期间的温度差异，充放电电流强度等。目前，解决方法主要是提高锂电池的生产制造工艺控制水平，从生产环节尽可能保证锂电池的一致性，使用同一批次锂电池进行配组。这种方法有一定效果，但无法根治差异性问题，锂电池组使用一段时间后一致性差的问题还会出现。锂电池组发生不一致性问题后，如果不能及时处理，则问题会愈发严重，甚至发生危险。
2）自放电过大。制造锂电池时，杂质造成的微短路引起的不可逆反应是造成个别锂电池自放电偏大的最主要原因。自放电微小时可忽略。在长时间的充放电及搁置过程中，锂电池会随环境条件发生化学反应，产生自放电现象，这会使锂电池电量降低，性能下降，不能满足使用需求。
3）低温放电容量减少。随着温度的降低，电解液性能变差，参与反应不够，电导率降低导致内阻增大，电压平台降低，容量也降低。目前，锂电池-20℃下的放电容量基本为额定容量的70%～75%。低温下锂电池放电容量减少，且放电性能差，影响电动汽车的使用性能和续驶里程。
4）锂电池容量衰减。锂电池容量衰减主要源自活性锂离子损失以及电极活性材料损失。正极活性材料层状结构规整度下降，负极活性材料上沉积钝化膜，石墨化程度降低，隔膜孔隙率下降，导致锂电池电荷传递阻抗增大，脱嵌锂能力下降，从而导致容量损失。锂电池容量衰减是不可避免的问题。但是，目前电池厂家应首先解决安全性失效问题和电池一致性问题，在此基础上再考虑延长锂电池的循环寿命。
（2）BMS失效模式
锂电池单体失效不仅和其本身有关，也和电池管理系统BMS失效有关。BMS失效模式可能造成的严重事故如下：
1）BMS电压检测失效导致锂电池过充电或过放电。连接、压线过程或接触不良导致电压检测线失效，BMS没有电压信息，充电未正常停止。锂电池过充会着火、爆炸，磷酸铁锂电池过充至5V以上大部分只是冒烟，但是三元锂电池一旦过充，就会发生爆炸。此外，过充电容易导致锂电池中的电解液分解释放出气体，从而导致锂电池鼓胀，严重时甚至会冒烟起火。锂电池过放电会导致其正极材料分子结构损坏，进而导致充不进电。同时，锂电池电压过低造成电解液分解，干涸发生析锂，回到锂电池内会造成短路。在系统设计时应选用可靠的电压采集线，在生产过程中严格管控，杜绝电压采集线的失效问题。
2）BMS电流检测失效。霍尔传感器失效，BMS采集不到电流，SOC无法计算，偏差大。电流检测失效可能导致充电电流过大。充电电流大，则电芯内部发热量大，温度超过一定值时，会使隔膜固化容量衰减，严重影响锂电池寿命。
3）BMS温度检测失效。温度检测失效导致锂电池工作温度过高，发生不可逆反应，这对锂电池容量、内阻有很大影响。电芯日历寿命与温度直接相关，45℃时的循环次数是25℃时的一半。另外，温度过高使锂电池易发生鼓胀、漏液、爆炸等问题，因此使用过程中要严格控制，使锂电池温度在20～45℃之间。这样除能有效提高锂电池的使用寿命和可靠性外，还能有效避免锂电池低温充电析锂造成的短路及高温热失控。
4）绝缘监测失效。动力电池系统变形或漏液都会引发绝缘失效，如果BMS没有检测出来，则有可能发生人员触电事故。因此BMS系统对监测传感器的要求应该是最高的，避免监测系统失效可极大地提高动力电池的安全性。
5）电磁兼容问题通信失效。对BMS系统来说，电磁兼容主要考核其抗电磁干扰能力。电磁干扰会导致BMS通信失效，引发上述问题。
6）SOC估算偏差大。目前所有BMS系统普遍存在这一问题，只是偏差控制上有一定差别。目前的检验标准要求SOC估算偏差在5%以内，但受实际使用环境影响，SOC偏差会越来越大。
（3）Pack系统集成失效模式
1）汇流排的失效。如果采用螺栓连接，在后期使用过程中，螺栓氧化脱落或振动导致螺栓松旷都会使导体连接处大量生热，极端情况下会导致动力电池着火。因此绝大部分动力电池系统生产厂家在Pack设计时，都在电芯与电芯连接或模块与模块连接处采用激光焊接，或在连接处增加温度传感器，通过检测手段避免汇流排失效。
2）动力电池系统主回路连接器失效。动力电池系统高压线通过连接器与外部高压系统相连。连接器性能不可靠，在振动下发生虚接，会产生高温导致连接器烧蚀。一般来说，连接器温度超过90℃就会发生连接失效。因此在系统设计时，连接器需要增加高压互锁功能，或在连接器附近加装温度传感器，时刻监测连接器的温度，防止连接器失效。
3）高压接触器粘连。接触器有一定次数的带载断开，大部分接触器会在大电流带载闭合时烧蚀。系统设计时一般采用双继电器方案，按照先后顺序闭合控制以避免高压接触器粘连。
4）熔断器过流保护失效。高压系统部件中的熔断器在选型匹配时，要综合考虑梯度熔断问题。振动或外部受到碰撞挤压会导致动力电池发生形变、密封失效、IP等级降低，因此在系统设计时需要考率电池箱结构的碰撞防护功能。
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