Cause e soluzioni dei punti neri sugli elettrodi delle batterie al litio

I. Caratteristiche del fenomeno della macchia nera

Aspetto visivo:

• Macchie nere o grigio scuro che compaiono sulla superficie dell'elettrodo, concentrate soprattutto sui bordi dell'area di rivestimento o sull'interfaccia di avvolgimento;
• Le zone nere sono accompagnate da delaminazione dell'interstrato di grafite e da espansione del materiale attivo, che determinano uno spessore locale anomalo (aumento superiore all'85%).

Impatto sulle prestazioni:

• Perdita di capacità (perdita tipica del 5-10%), con una riduzione del ciclo di vita di oltre il 30%;
• La placcatura in litio nelle aree con punti neri aumenta il rischio di fuga termica, con temperature localizzate che possono superare gli 80°C.

II. Analisi delle cause principali

Difetti materiali:

• Impurità eccessive nelle materie prime (ad esempio, olio di laminazione residuo su lamina di rame) o agglomerazione di agenti conduttivi (dimensioni delle particelle >5 μm), che portano a guasti localizzati della rete conduttiva;
• Contaminazione sulla superficie del substrato (polvere, particelle metalliche) che ostacola la bagnatura della sospensione, causando un'evaporazione anomala del solvente durante l'essiccazione.

Deviazioni di processo:

• Scarsa dispersione della sospensione di rivestimento, con formazione di bolle che formano difetti a foro di spillo;
• Cambiamenti improvvisi nei gradienti di temperatura di essiccazione che portano a una rapida formazione di pellicole superficiali, intrappolando solventi interni e causando crepe da stress;
• Controllo improprio della pressione negativa durante la formazione (fluttuazione della pressione >10%), che accelera la deposizione dei prodotti di decomposizione degli elettroliti.

Guasto della reazione interfacciale:

• L'HF generato dalla decomposizione di LiPF₆ nell'elettrolita corrode lo strato di grafite, causando la rottura localizzata del film SEI;
• Concentrazione insufficiente di sale di litio o ingresso di umidità (>50 ppm), che innesca reazioni collaterali che producono sottoprodotti ad alta resistenza come LiF e Li₂O.

III. Soluzioni comuni

Misure di ottimizzazione dei processi:

• Adottare un sistema di controllo del rivestimento a circuito chiuso per mantenere le fluttuazioni di tensione ≤0,5% e adattare i gradienti di temperatura di essiccazione (velocità di riscaldamento ≤3°C/min);
• Ottimizzare i parametri di pressione negativa della formazione (ad esempio, livello di vuoto controllato da -90 a -95 kPa) e verificare la stabilità del processo utilizzando strumenti di simulazione del blocco.

Soluzioni per la modifica dei materiali:

• Aumentare la proporzione del legante al 3-5% (ad esempio, PVDF) per sopprimere la sedimentazione del liquame e l'agglomerazione delle particelle;
• Utilizzare collettori di corrente nanocompositi (ad esempio, fogli di alluminio rivestiti di carbonio) per ridurre la resistenza di contatto interfacciale di oltre il 30%.

Aggiornamenti del controllo ambientale:

• Mantenere l'umidità dell'officina ≤30%, con la pulizia al plasma del foglio di rame ottenendo un angolo di bagnatura ≤20°;
• Trattamento di pre-litiazione prima dello stoccaggio per ridurre la perdita di litio attivo dell'elettrodo negativo (tasso di recupero della capacità migliorato del 7-9%).

IV. Metodi di rilevamento e convalida

Analisi microscopica:

• SEM/EDS per esaminare la composizione delle aree macchiate nere (un contenuto anomalo di O/F/P indica una decomposizione degli elettroliti);
• XRD per analizzare la spaziatura tra gli strati di grafite (d002 > 0,344 nm suggerisce danni strutturali).

Strumenti di convalida del processo:

• Utilizzare strumenti di simulazione del blocco della formazione per testare le celle, raccogliendo curve di pressione e temperatura per far corrispondere le condizioni di soglia;
• Test di conservazione ad alta temperatura (55°C/7 giorni) per verificare la velocità di propagazione dei punti neri e individuare le cellule anomale.