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电池极片毛刺导致电池短路的检测方法

2024-06-18

本文作者分析零电压的产生原因 ,,,,,,,,重点分析极片毛刺导致电池零电压的现象 ,,,,,,,,以准确找到短路的原因 ,,,,,,,,精准解决此问题 ,,,,,,,,更好地理解生产过程中极片毛刺管控的重要性。。。。。。。


1 实验

1.1 电池制备

实验电池以镍钴锰酸锂材料(NCM111)作为正极活性物质。。。。。。。将正极活性物质、导电剂SP 炭黑、黏结剂聚偏氟乙烯PVDF和溶剂NMP按照质量比66∶2∶2∶30搅拌 ,,,,,,,,制成浆料 ,,,,,,,,涂覆在15μm厚的涂碳铝箔上 ,,,,,,,,单面涂覆量为270g/m2。。。。。。。将正极极片放置在温度(120±3)℃的烤箱中干燥24h ,,,,,,,,辊压后,极片的压实密度为3.28g/cm3。。。。。。。

以钛酸锂材料Li4Ti5O12作为负极活性物质。。。。。。。将负极活性物质、导电剂SP炭黑、黏结剂PVDF和溶剂NMP按照质量比52∶2∶2∶44搅拌 ,,,,,,,,制成浆料 ,,,,,,,,涂覆在15μm厚的涂碳铝箔上 ,,,,,,,,单面涂覆量为214g/m2。。。。。。。将负极极片放置在温度(110±3)℃的烤箱中干燥24h ,,,,,,,,辊压后 ,,,,,,,,极片的压实密度为1.85g/cm3。。。。。。。干燥后的极片经分切后 ,,,,,,,,极片宽度(136.0±1.0)mm ,,,,,,,,极片毛刺不超过12μm。。。。。。。

1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC(体积比1∶1∶1)为电解液 ,,,,,,,,20μm厚的聚乙烯(PE)多孔隔膜为隔膜 ,,,,,,,,制备66160型电池 ,,,,,,,,容量设计为45Ah。。。。。。。卷绕组装后 ,,,,,,,,将铝壳顶盖焊封 ,,,,,,,,将实验电池放置在温度(85±3)℃的烤箱中 ,,,,,,,,干燥24h ,,,,,,,,再向电芯注液 ,,,,,,,,注液量均为200g。。。。。。。注液后的电池在常温下静置72h ,,,,,,,,静置结束后 ,,,,,,,,对所有实验电池进行开路电压(OCV)测试,记录电池内阻和电压。。。。。。。

化成前的零电压电池 ,,,,,,,,充电后 ,,,,,,,,毛刺熔断 ,,,,,,,,零电压不再出现。。。。。。。对该电池进行正常;;;;;闪鞒滩馐 ,,,,,,,,化成工艺如下:①高温箱温度达到120℃后 ,,,,,,,,搁置120min;;;;;;②1.0C恒流充电至截止电压2.8V后。。。。。。。转恒压充电,充电截止时间2h;;;;;;③搁置10min;;;;;;④1.0C恒流放电至截止电压1.5V后 ,,,,,,,,转恒压放电 ,,,,,,,,放电截止时间2h;;;;;;⑤搁置10min;;;;;;⑥重复②到⑤步骤3次;;;;;;⑦1.0C恒流充电 ,,,,,,,,充电时间0.7h ,,,,,,,,再以2.3V恒压充电 ,,,,,,,,截止电流 0.45A。。。。。。。对化成后的电池进行自放电测试。。。。。。。采用测试静态电压的方法 ,,,,,,,,测试电压时长不少于两个月。。。。。。。电池在常温(25±5)℃下静置24h后 ,,,,,,,,进行开路电压测试并记录。。。。。。。电池继续在常温下静置 ,,,,,,,,一个月、两个月后 ,,,,,,,,再次进行开路电压测试并记录。。。。。。。



1.2 充电测试

用交流内阻测试仪进行内阻和电压分析。。。。。。。用5V-50A高精度电池性能检测系统进行充电性能测试。。。。。。。对注液后静置结束的电池进行电压测试时,短路电池的电压为0 ,,,,,,,,即为零电压电池。。。。。。。对零电压电池进行充电测试。。。。。。。在环境温度(25±3)℃下 ,,,,,,,,采用1A、2A和3A等不同电流充电,充电结束后,观察电池电压的变化情况。。。。。。。按照电流从小到大、时间由短到长进行实验,充电时间分别设置为5s、10s、25s。。。。。。。


1.3 自放电测试

采用二次元测试仪进行极片毛刺分析。。。。。。。用交流内阻测试仪进行内阻和电压分析。。。。。。。用5V-50A高精度电池性能检测系统测试电性能。。。。。。。用高温箱控制电池温度。。。。。。。


2 结果与讨论

2.1 化成前电池电压对比

1A、2A充电过程中及停止充电后的电池电压见图1。。。。。。。从图1可知 ,,,,,,,,零电压电池可近似看作内部存在毛刺短路。。。。。。。该电池可承受1min内2A以下电流的测试。。。。。。。当充电电流为1A、2A时 ,,,,,,,,由于内部存在毛刺导致的短路 ,,,,,,,,电压达到一个稳定值后不再变化;;;;;;当停止充电后 ,,,,,,,,电压快速恢复到0。。。。。。。

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继续增大充电电流,将充电电流改为3A ,,,,,,,,充电时间分别设置为5s、10s、25s ,,,,,,,,电池的充电测试曲线见图2。。。。。。。

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从图2可知 ,,,,,,,,当充电电流达到3A时 ,,,,,,,,电池在5s和10s充电时间下 ,,,,,,,,电压状态与1A、2A充电类似。。。。。。。继续延长充电时间 ,,,,,,,,当充电时间超过10s后 ,,,,,,,,电压缓慢上升;;;;;;当充电时间达到20s后 ,,,,,,,,电压快速上升 ,,,,,,,,充电停止后 ,,,,,,,,电压缓慢下降 ,,,,,,,,短时间内没有出现之前的零电压现象。。。。。。。由充电过程中电压变化的速度可知 ,,,,,,,,此时 ,,,,,,,,电池内部的毛刺已因充电产生的热量发生了热熔断。。。。。。。毛刺熔断之前 ,,,,,,,,在充电开始后的10~20s内 ,,,,,,,,电压出现一个缓慢上升的阶段。。。。。。。20s后 ,,,,,,,,毛刺熔断 ,,,,,,,,此时电池电压出现快速上升。。。。。。。停止充电后 ,,,,,,,,电池电压缓慢降低。。。。。。。毛刺熔断后 ,,,,,,,,金属杂质仍然残留在电池内部 ,,,,,,,,导致自放电快于正常电池。。。。。。。对该电池进行正常;;;;;珊 ,,,,,,,,测试自放电速度。。。。。。。

实验选取的电池按照1.3节化成工艺进行充放电 ,,,,,,,,步骤⑦结束后 ,,,,,,,,电池荷电状态(SOC)约为80%。。。。。。。在常温下对电池进行自放电测试 ,,,,,,,,并选取正常电池和同批包含杂质电池进行对比 ,,,,,,,,测试数据见表1。。。。。。。

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从表1可知 ,,,,,,,,毛刺导致的电池自放电现象确实存在 ,,,,,,,,影响了电池的荷电保持能力。。。。。。。采用充电电流分析自放电异常的原因 ,,,,,,,,可直观地反映出制造过程中极片毛刺的异常状况 ,,,,,,,,说明在生产过程中应进一步加强工艺控制要求 ,,,,,,,,及时维护刀具,保证电池的性能 ,,,,,,,,减少安全隐患。。。。。。。毛刺熔断后 ,,,,,,,,极片内部仍存在金属杂质。。。。。。。测量电池分容后的自放电数据可知 ,,,,,,,,正常电池常温下静置一个月后 ,,,,,,,,电压降低约7mV ,,,,,,,,两个月后 ,,,,,,,,电压降低约10mV ,,,,,,,,说明毛刺过大电池的自放电率大于正常电池。。。。。。。结合化成前的电压和分容后的自放电数据分析可知 ,,,,,,,,毛刺过大 ,,,,,,,,将导致电池荷电保持性能出现异常。。。。。。。电池极片存在的毛刺不会完全消失 ,,,,,,,,将长期影响电池的性能。。。。。。。


3 结论

电池制造过程中 ,,,,,,,,控制极片毛刺大小是一项关键参数。。。。。。。毛刺导致短路后 ,,,,,,,,电池在注液后的电压为0。。。。。。。对毛刺引发的短路电池进行小电流充电 ,,,,,,,,会出现电压恒定不变的现象 ,,,,,,,,当电流达到毛刺熔断值后 ,,,,,,,,电池内部存在金属杂质 ,,,,,,,,会继续影响电池的自放电 ,,,,,,,,自放电率大于正常电池。。。。。。。该方法可以识别电池制造过程中毛刺引发的电池短路 ,,,,,,,,从而指导在电池生产过程中 ,,,,,,,,加强对分切、模切、卷绕设备进行排查 ,,,,,,,,避免大批量不合格电池的产生。。。。。。。



文章来源:https://www.resheji.com/xingyezixun/jishuwenzhang/shichangyingyong/dianyuandianli/2024-03-16/2935.html


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