Come rilevare il cortocircuito causato da sbavature sugli elettrodi della batteria？

Questo articolo analizza le cause della tensione zero. Focalizzato sul fenomeno dello zero voltaggio nella batteria causato dalle bave degli elettrodi. Identificando la causa del cortocircuito miriamo a risolvere con precisione il problema e comprendere meglio l’importanza del controllo delle bave degli elettrodi durante la produzione.

Sperimentare

1. Preparazione della batteria

Questo esperimento utilizza materiale manganato di litio nichel cobalto (NCM111) come materiale attivo positivo. Mescolare il materiale attivo positivo, il nero di carbonio SP, il legante PVDF e il solvente NMP con un rapporto di massa di 66:2:2:30 per ottenere un impasto liquido. L'impasto liquido è rivestito su un foglio di alluminio rivestito di carbonio spesso 15 μm e la quantità di rivestimento su un lato è di 270 g/m2. Posizionare l'elettrodo positivo in un forno a una temperatura di (120±3)°C per asciugarlo per 24 ore, quindi viene eseguito il processo di calandratura per ottenere una densità compatta dell'elettrodo pari a 3,28 g/cm3. Il materiale attivo negativo utilizza materiale titanato di litio Li4Ti5O12. Miscelare il materiale attivo negativo, l'agente conduttivo del nero di carbonio SP, il legante PVDF e il solvente NMP in base al rapporto di massa di 52:2:2:44 per ottenere un impasto liquido. L'impasto liquido dell'anodo è rivestito su un foglio di alluminio rivestito di carbonio spesso 15 μm e la quantità di rivestimento su un lato è di 214 g/m2. Posizionare l'elettrodo negativo in un forno a una temperatura di (110±3)°C per asciugarlo per 24 ore, quindi eseguire un processo di laminazione per ottenere una densità compatta dell'elettrodo pari a 1,85 g/cm3. L'elettrodo essiccato viene tagliato in pezzi con una larghezza di (136,0±1,0) mm e le bave dell'elettrodo non devono superare i 12μm. L'elettrolita utilizza 1 mol/L di LiPF6/EC+EMC+DMC (rapporto volumetrico 1:1:1). Il separatore è un separatore poroso in polietilene (PE) con spessore di 20 μm. I materiali di cui sopra sono assemblati in 66160 celle con una capacità nominale di 45 Ah. Dopo l'avvolgimento e l'assemblaggio, il coperchio superiore del guscio di alluminio è stato saldato e sigillato e le celle sperimentali sono state poste in un forno a una temperatura di (85±3)°C ad asciugare per 24 ore.

Dopo l'asciugatura, riempire le celle della batteria e la quantità di elettrolito è di 200 g. Dopo il riempimento dell'elettrolita, le celle sono state lasciate riposare a temperatura ambiente per 72 ore. Dopo la sosta, tutte le celle sperimentali sono state testate per la tensione a circuito aperto (OCV) e sono state registrate la resistenza interna e la tensione della batteria.

2. Prova di carica

Quando si esegue l'analisi della resistenza interna e della tensione, utilizzare un tester di resistenza interna CA per il test. Utilizzare il sistema di test delle prestazioni della batteria ad alta precisione da 5 V-50 A per testare le prestazioni di carica della batteria. Per le celle che sono rimaste in piedi dopo il riempimento, quando si esegue un test di tensione, cortocircuitare prima la cella per ridurre la sua tensione a 0, che è una cella a tensione zero.

Quindi eseguire un test di carica sulla cella a tensione zero. Quando la temperatura ambiente è (25±3)℃, per la ricarica vengono utilizzate correnti diverse (come 1 A, 2 A e 3 A). Gli esperimenti sono stati condotti nell'ordine della corrente da piccola a grande e del tempo da breve a lungo. Il tempo di ricarica è stato impostato rispettivamente su 5 secondi, 10 secondi e 25 secondi. Osservare le variazioni della tensione della batteria dopo ogni tempo di ricarica.

3.Test di autoscarica

Utilizzare un tester bidimensionale per l'analisi delle bave degli elettrodi. Utilizzare un tester di resistenza interna CA per l'analisi della resistenza interna e della tensione. Utilizzare un sistema di test delle prestazioni della batteria ad alta precisione da 5 V-50 A per testare le prestazioni elettriche. Utilizzare una scatola ad alta e bassa temperatura per controllare la temperatura delle celle. Dopo che le celle a tensione zero prima della formazione sono state caricate, la bava si fonde e la tensione zero non appare più. Testare il normale processo di formazione di questa batteria. Il processo di formazione è il seguente:

①Dopo che la temperatura della scatola ad alta temperatura raggiunge i 120℃, attendere 120 minuti.

②Caricare con una corrente pari a 1,0 volte C alla tensione di interruzione di 2,8 V, quindi passare alla carica a tensione costante. Il tempo di interruzione della ricarica è di 2 ore.

③Attendere 10 minuti.

④Scarica con corrente 1,0 volte C alla tensione di interruzione di 1,5 V, quindi passa alla scarica a tensione costante. Il tempo limite per lo scarico è di 2 ore.

⑤Attendere 10 minuti.

⑥Ripetere i passaggi da 2 a 5 3 volte.

⑦Caricare con 1,0 volte C di corrente, il tempo di ricarica è 0,7 ore, quindi caricare con tensione costante di 2,3 V, la corrente di interruzione è 0,45 A. Effettuare un test di autoscarica sulle celle formate. Utilizzare il metodo di test della tensione statica e testare la tensione per non meno di due mesi. Dopo che le celle sono state lasciate a temperatura ambiente (25±5)°C per 24 ore, la tensione a circuito aperto viene testata e registrata. Successivamente, le celle hanno continuato a restare a temperatura ambiente per un mese e due mesi, quindi la tensione a circuito aperto è stata nuovamente testata e registrata.

Risultati e discussione

1. Confronto della tensione della batteria prima della formazione

La Figura 1 mostra le variazioni di tensione della batteria durante la carica da 1 A e 2 A e dopo l'interruzione della carica. Dalla figura si può vedere che una batteria a tensione zero può essere approssimativamente considerata come un cortocircuito causato da bave interne. La batteria può resistere a un test di corrente inferiore a 2 A entro 1 minuto. Quando la corrente di carica è di 1A e 2A, a causa del cortocircuito provocato dalle bave interne, la tensione raggiunge un valore stabile e non varia più. Quando la ricarica viene interrotta, la tensione ritorna rapidamente a 0.

Continua ad aumentare la corrente di carica, modifica la corrente di carica su 3 A e imposta il tempo di ricarica rispettivamente su 5 s, 10 s e 25 s. La curva del test di carica della batteria è mostrata nella Figura 2.

Secondo l'osservazione nella Figura 2, quando la corrente di carica raggiunge 3 A, la variazione di tensione della batteria è simile a quella della carica da 1 A e 2 A con un tempo di carica di 5 secondi e 10 secondi. Man mano che il tempo di ricarica si prolunga, quando il tempo di ricarica supera i 10 secondi, la tensione aumenta lentamente. Quando il tempo di ricarica raggiunge i 20 secondi, la tensione aumenta rapidamente. Dopo l'interruzione della ricarica, la tensione diminuisce lentamente e il precedente fenomeno di tensione zero non appare in un breve periodo di tempo.

In base alla velocità del cambiamento di tensione durante la carica, si può concludere che le bave all'interno della batteria sono state fuse termicamente a causa del calore generato dalla carica. Prima che le bave si fondano, la tensione mostra una fase di lento aumento entro 10-20 secondi dall'inizio della ricarica.

Dopo 20 secondi la bava si fonde e la tensione della batteria aumenta rapidamente. Dopo aver interrotto la ricarica, la tensione della batteria diminuisce lentamente. Vale la pena notare che dopo che la bava si è fusa, le impurità metalliche rimangono all'interno della batteria, causando un'autoscarica più rapida rispetto alle normali batterie. Pertanto, dopo aver normalizzato la batteria, è necessario testarne la velocità di autoscarica.

2. Confronto tra l'autoscarica della batteria dopo la formazione

La batteria selezionata per l'esperimento è stata caricata e scaricata secondo il processo di formazione sopra descritto. Dopo il passo ⑦ lo stato di carica (SOC) della batteria era pari a circa l'80%. Il test di autoscarica della batteria è stato condotto a temperatura ambiente e confrontato con batterie contenenti impurità dello stesso lotto. I dati del test sono mostrati nella Tabella 1.

Dalla tabella 1 si può vedere che l'autoscarica della batteria causata da bavature esiste e ha un impatto sulla capacità di ritenzione della carica della batteria. L'analisi delle cause delle anomalie di autoscarica attraverso la corrente di carica può riflettere in modo intuitivo la situazione anomala delle bave degli elettrodi durante il processo di produzione.

Ciò dimostra che è necessario rafforzare ulteriormente i requisiti di controllo del processo durante il processo di produzione e mantenere la taglierina in modo tempestivo per garantire le prestazioni della batteria e ridurre i rischi per la sicurezza. Dopo che la bava è stata soffiata, all'interno dell'elettrodo sono ancora presenti impurità metalliche.

In base ai dati di autoscarica dopo aver misurato la capacità della batteria, si può concludere che dopo aver lasciato una batteria normale a temperatura ambiente per un mese, la tensione diminuisce di circa 7 mV; dopo due mesi la tensione scende di circa 10mV. Ciò dimostra che il tasso di autoscarica delle batterie con eccessive sbavature è maggiore di quello delle batterie normali. Tenendo conto della tensione prima della formazione e dell'analisi dei dati di autoscarica dopo la divisione della capacità, si può concludere che sbavature eccessive porteranno a prestazioni anomale di mantenimento della carica della batteria. Le bave presenti sugli elettrodi della batteria non scompariranno del tutto e a lungo termine influenzeranno le prestazioni della batteria.

In sintesi, le bave hanno un impatto negativo sulle prestazioni della batteria, pertanto è necessario adottare misure per ridurre la formazione di bave durante il processo di produzione per garantire le prestazioni e la sicurezza della batteria.

Conclusione

Nel processo di produzione delle batterie, il controllo della dimensione delle bave degli elettrodi è un parametro chiave. Quando una bava provoca un cortocircuito, la tensione della batteria diventerà 0 dopo il riempimento. Caricando con una piccola corrente una batteria in cortocircuito a causa di una bava, si può osservare una tensione stabile. Quando la corrente raggiunge il valore del fusibile, ci sono ancora impurità metalliche all'interno della batteria, che continueranno a influenzare l'autoscarica della batteria, determinando un tasso di autoscarica più elevato rispetto alle normali batterie. Questo metodo può essere utilizzato per identificare i cortocircuiti della batteria causati da bave durante la produzione della batteria. Osservando i cambiamenti di tensione, possiamo guidare il rafforzamento delle ispezioni delle apparecchiature di taglio, fustellatura e avvolgimento durante il processo di produzione delle batterie per evitare la produzione di grandi quantità di batterie non qualificate. Pertanto, caricando batterie in cortocircuito causate da sbavature con bassa corrente e monitorando le variazioni di tensione, è possibile identificare efficacemente i problemi nel processo di produzione delle batterie e condurre controlli di processo pertinenti per garantire la qualità e le prestazioni della batteria.