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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。对该电池进行正常化成流程测试,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。

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。

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。对该电池进行正常化成后,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。

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