Analyseansatz für das Problem der geringen Kapazität von Batteriezellen

Die Bestimmung einer niedrigen Batteriekapazität (geringe Kapazität) für Batteriezellen basiert auf einem einfachen Vergleich zwischen der Kapazität nach der Formierung (nach dem Lade-/Entladezyklus) und dem vorgesehenen Kapazitätswert. Wenn die nach dem Formierungsprozess gemessene Kapazität niedriger ist als der vorgesehene Wert, sollte zunächst geprüft werden, ob die Einstellungen des Formierungsprozesses (wie Entladestrom, Ladezeit, Abschaltspannung und Formierungstemperatur) fehlerhaft sind. – Wenn die Einstellungen des Formierungsschritts richtig sind, muss der Testpunkt geändert und der Formierungsprozess der Batteriezelle erneut ausgeführt werden, um zu prüfen, ob Probleme mit der Formierungsausrüstung oder den Formierungskanälen vorliegen. – Vorausgesetzt, nach dem Gerätewechsel werden keine Anomalien in den Formierungsdaten gefunden, ist wahrscheinlich die Originalausrüstung problematisch. – Wenn der erneute Test immer noch eine niedrige Kapazität anzeigt, kann bestätigt werden, dass das Problem der niedrigen Kapazität tatsächlich vorliegt.

Nach der Bestätigung der niedrigen Kapazität ist es notwendig, die Häufigkeit und Schwere der Fälle zu ermitteln, um die tatsächliche Situation der niedrigen Kapazität aus einer Gesamtperspektive zu erfassen. Dies erfordert einen systematischeren Ansatz. Vor einer systematischen Analyse empfiehlt es sich, die wiederaufgeladenen Batteriezellen mit niedriger Kapazität zunächst zu zerlegen und die Schnittstelle zu untersuchen. Werden keine Probleme gefunden, liegt dies wahrscheinlich an einem unzureichenden Gewicht der positiven Elektrodenbeschichtung oder einem unzureichenden Konstruktionsspielraum. Liegen Schnittstellenprobleme vor, können andere Probleme im Herstellungsprozess oder Design die Ursache sein. Anschließend untersuchen wir die Ursachen der niedrigen Kapazität sowohl aus Design- als auch aus Fertigungssicht.

I. Designende

1. Materialsystemkompatibilität: Insbesondere die Kompatibilität zwischen negativer Elektrode und Elektrolyt hat einen erheblichen Einfluss auf die Kapazität der Batteriezelle. Zeigen wiederholte Tests bei neu eingeführten negativen Elektroden oder Elektrolyten, dass jede Batteriezelle Lithiumbeschichtungen und eine geringe Kapazität aufweist, ist die Wahrscheinlichkeit einer Materialfehlanpassung hoch. Mögliche Gründe für eine Fehlanpassung sind: – Unzureichende Dichte, Dicke oder Instabilität des während der Formierung gebildeten SEI-Films (Solid Electrolyte Interphase); – Mögliche Delamination der Graphitschicht durch PC (Propylencarbonat) im Elektrolyt; – Zu hohe Flächendichte oder Verdichtungsdichte, wodurch die Batteriezelle nicht an schnelles Laden und Entladen angepasst werden kann.
2. Angemessener Kapazitätsspielraum: Ausgehend von der gravimetrischen Kapazität des positiven Elektrodenmaterials: Aufgrund von Fehlern bei der Beschichtung der positiven/negativen Elektroden, der Genauigkeit der Formationskammer und den Auswirkungen von Adhäsionen auf die Kapazität muss bei der Konstruktion ein gewisser Kapazitätsspielraum berücksichtigt werden. Bei neuen Materialien ist eine genaue Bewertung der gravimetrischen Kapazität der positiven Elektrode im jeweiligen System entscheidend. Das gleiche positive Elektrodenmaterial weist möglicherweise nicht die gleiche gravimetrische Kapazität auf, wenn es mit unterschiedlichen negativen Elektroden oder Elektrolyten kombiniert wird. Faktoren wie Formationsrate, Ladeschlussstrom, Lade-/Entladerate und Elektrolyttyp können die Leistung der positiven Elektrode beeinflussen. Eine zu hohe gravimetrische Kapazität kann daher zu einer überschätzten Kapazität führen, was zu einer geringen Kapazität im tatsächlichen Formationsprozess führt. Aus Sicht des negativen Elektrodenüberschusses und eines hohen CB-Werts (Kapazitätsbilanz): Ein negativer Elektrodenüberschuss kann auch die gravimetrische Kapazität der positiven Elektrode in gewissem Maße beeinflussen und somit die Kapazität der Batteriezelle beeinträchtigen. Ein negativer Elektrodenüberschuss bedeutet nicht nur, dass keine Lithiumbeschichtung erfolgt. Eine Erhöhung des negativen Elektrodenüberschusses über die untere Grenze der Nicht-Lithiumbeschichtung hinaus kann die gravimetrische Kapazität der positiven Elektrode um etwa 1 % bis 2 % verbessern. Bei einem zu hohen negativen Elektrodenüberschuss verringert sich jedoch die gravimetrische Kapazität der positiven Elektrode, da mehr irreversibles Lithium zur Bildung des SEI-Films während der Bildung benötigt wird. Dies führt zu einer verringerten Entladekapazität im ersten Zyklus.
3. Unzureichende Elektrolytzufuhr und niedriger Elektrolytrückhaltekoeffizient: Bei geringer Elektrolytzufuhr verringert sich auch die entsprechende Elektrolytrückhaltemenge. Eine unzureichende Elektrolytrückhaltemenge der Batteriezelle beeinträchtigt den Lithiumioneneinlagerungs-/-extraktionseffekt an den positiven und negativen Elektroden, was zu einer geringen Kapazität führt. Bei unzureichender Elektrolytrückhaltemenge der Batteriezelle trocknen die positiven und negativen Elektrodenschichten relativ aus, und auf der negativen Elektrode bildet sich eine dünne Lithiumschicht. Dies kann als Faktor für eine geringe Kapazität aufgrund der schlechten Elektrolytrückhaltemenge angesehen werden.

II. Prozessfertigungsende

1. Einhaltung der Prozessparameter für die Flächendichte der Beschichtung: Eine zu dünne Beschichtung der positiven oder negativen Elektrode kann direkt zu einer geringen Kapazität der Batteriezelle führen. Bei einer zu dünnen Beschichtung der positiven Elektrode treten keine Auffälligkeiten an der voll geladenen Zelloberfläche auf. An dieser Stelle muss das Problem durch Brennen und Messen des Gewichts der positiven Elektrodenfolie ermittelt werden. Liegt das gemessene Gewicht unter dem Sollwert, deutet dies auf eine geringere Flächendichte der Beschichtung hin. Auch eine ungleichmäßige Beschichtung der positiven oder negativen Elektrode (insbesondere der negativen Elektrode) kann zu einer geringen Kapazität führen. Eine stärkere Beschichtung der positiven Elektrode kann zwar die gravimetrische Kapazität verringern, die Gesamtkapazität nimmt jedoch nicht ab, sondern kann sogar leicht zunehmen.
2. Untersuchung von Überpressung beim Walzen: Überpressung beim Walzen kann die Materialstruktur beschädigen und dadurch die Kapazitätsleistung beeinträchtigen. Die deutlichste Auswirkung von Überpressung ist ein glänzendes Aussehen der Elektrodenfolie. Überpressung der positiven Elektrode kann dazu führen, dass die Aktivmaterialpartikel mit beschädigter Struktur Lithiumionen nicht mehr richtig aufnehmen/extrahieren können, was zu einem Kapazitätsverlust führt. Überpressung der negativen Elektrode kann die Aufnahme von Lithiumionen von der positiven Elektrode verhindern, was zu einer Lithiumplattierung der Oberfläche und einem Kapazitätsverlust führt.
3. Einhaltung verschiedener Toleranzanforderungen bei der Montage: Probleme wie eine schlechte Elektrodenausrichtung, Falten im Separator usw. bei der Batteriemontage können zu internen Kurzschlüssen oder erhöhtem lokalen Widerstand führen, was das Laden/Entladen der Batterie beeinträchtigt und zu einer verringerten Kapazität führt. Falten im Zellseparator der Zelle können zudem zu einer unzureichenden Lithiumeinlagerung/-entnahme an der negativen Elektrode führen, was wiederum die Zellkapazität beeinträchtigt.
4. Abnormaler Wassergehalt: Ein übermäßiger Wassergehalt kann ebenfalls zu einer geringen Kapazität führen. Wenn der Wassergehalt des Elektrodenblatts vor der Elektrolytinjektion den Standard überschreitet, der Taupunkt der Handschuhbox nicht den Anforderungen entspricht, der Wassergehalt des Elektrolyts den Standard überschreitet oder während der Entgasung oder Sekundärversiegelung Wasser eindringt, kann die Batteriezelle eine geringe Kapazität aufweisen.
5. Normale Luftfeuchtigkeit und Temperatur während der Zellproduktion: Eine unzureichende Kontrolle der Umgebungsfeuchtigkeit und -temperatur ist entscheidend für die Batterieleistung. Hohe Luftfeuchtigkeit kann zu Wasserzersetzungsreaktionen im Inneren der Batterie führen und Elektrodenmaterialien und Elektrolyte schädigen. Niedrige Temperaturen können die Lithiumionendiffusion verlangsamen und so die Batteriekapazität verringern.
6. Andere Faktoren:
   Batteriebezogene Probleme: Metallische Fremdkörper oder magnetische Substanzen im Batterieproduktionsprozess können die Selbstentladungsrate erhöhen. Solche Batteriezellen können nach der Formierung eine geringe Kapazität aufweisen.
   â'¡Lagerzeit und -bedingungen: Lange Lagerzeiten oder unsachgemäße Lagerbedingungen wie hohe Temperaturen und Feuchtigkeit können zur Alterung des Elektrodenmaterials und zur Verschlechterung des Elektrolyten führen, was wiederum die Batteriekapazität verringert.

Wenn die oben genannten Schritte Schritt für Schritt befolgt werden, können sie im Allgemeinen dabei helfen, die Ursache für die geringe Kapazität zu ermitteln.