Analyse der Ursachen für geringe Zellkapazität

Eine niedrige Zellkapazität ist eine intuitive Beurteilung, die auf dem Vergleich der Entladekapazität nach der Formierung mit dem Designwert basiert. Liegt die gemessene Kapazität unter der Designspezifikation, besteht der erste Schritt darin, zu überprüfen, ob die Formierungsprozessparameter (z. B. Entladestrom, Ladedauer, Abschaltspannung und Formierungstemperatur) korrekt eingestellt sind.
– Wenn die Formationsschritte als korrekt bestätigt werden, testen Sie die Zelle erneut mit alternativen Geräten oder Kanälen, um mögliche Probleme mit dem Formationssystem auszuschließen.
â'¡ Wenn die Kapazität nach dem Austausch des Geräts normal bleibt, ist das ursprüngliche Formationsgerät defekt.
â'¢ Wenn das Problem der geringen Kapazität nach einem erneuten Test weiterhin besteht, wird bestätigt, dass die Zelle tatsächlich eine geringe Kapazität aufweist.
Nach Bestätigung der niedrigen Kapazität sind weitere Analysen erforderlich, um Häufigkeit und Schweregrad zu bestimmen. Vor einer systematischen Ursachenanalyse sollten die vollständig geladenen Zellen mit niedriger Kapazität zerlegt und überprüft werden. Werden keine Auffälligkeiten festgestellt, können mögliche Ursachen ein unzureichendes Beschichtungsgewicht der positiven Elektrode oder ein unzureichender Konstruktionsspielraum sein. Bei festgestellten Mängeln sollten Konstruktions- oder Herstellungsfehler in Betracht gezogen werden.

Ursachenanalyse: Design- und Fertigungsperspektiven

I. Designbezogene Faktoren

1. Materialverträglichkeit

Die Kompatibilität zwischen negativer Elektrode und Elektrolyt beeinflusst die Kapazität entscheidend. Bei neu eingeführten Anodenmaterialien oder Elektrolyten deutet wiederholte Lithiumabscheidung während des Tests stark auf eine Materialfehlanpassung hin. Mögliche Fehlanpassungsmechanismen sind:

– Schlecht geformte, zu dicke oder instabile SEI-Schicht während der Bildung.

â'¡ PC (Propylencarbonat) im Elektrolyt verursacht Graphitabblätterung.

â'¢ Eine übermäßige Flächendichte/Verdichtung der Elektroden behindert die Fähigkeit zum Laden/Entladen mit hoher Rate.

2. Kapazitätsauslegungsspielraum

Spezifische Kapazität der positiven Elektrode: Bei der Konstruktion müssen Beschichtungstoleranzen, Fehler in der Formationsanlage und Kapazitätsverluste durch Laschenhaftung berücksichtigt werden. Bei neuen Materialien ist die erreichbare spezifische Kapazität im jeweiligen System (Anoden-Elektrolyt-Paarung) genau zu ermitteln. Beachten Sie, dass die spezifische Kapazität je nach Formationsrate, Ladeschlussstrom, Zyklenfrequenz und Elektrolytzusammensetzung variiert. Eine Überschätzung der positiven Elektrodenkapazität führt zu überhöhten Konstruktionswerten und tatsächlich zu Zellen mit geringer Kapazität.

Überschuss an negativer Elektrode und CB-Wert: Eine übermäßige Belastung der negativen Elektrode erhöht die Auslastung der positiven Elektrode zunächst um 1–2 %, aber über das optimale Niveau hinaus reduziert ein übermäßiger irreversibler Lithiumverbrauch während der SEI-Bildung die Entladekapazität im ersten Zyklus.

3. Elektrolytfüllung und -retention

Eine unzureichende Elektrolytfüllung verringert die Effizienz der Interkalation/Deinterkalation von Lithium-Ionen. Zellen mit unzureichender Elektrolytretention weisen trockene Elektroden und eine dünne Lithiumbeschichtung auf der Anodenoberfläche auf, was direkt zum Kapazitätsverlust beiträgt.

II. Fertigungsbezogene Faktoren

1. Abweichung der Flächendichte der Beschichtung

Eine zu geringe Beschichtung positiver/negativer Elektroden führt direkt zu einer geringen Kapazität. Bei positiven Elektroden ist die Beschichtungsstärke durch eine gravimetrische Analyse nach der Trocknung zu bestimmen. Eine ungleichmäßige Beschichtungsdicke („Yin-Yang-Beschichtung“), insbesondere die Unterbeschichtung negativer Elektroden, trägt ebenfalls dazu bei. Eine zu hohe Beschichtung positiver Elektroden kann die spezifische Kapazität verringern, erhöht aber oft die Gesamtkapazität.

2. Überverdichtung beim Kalandrieren

Übermäßige Verdichtung schädigt die Struktur des aktiven Materials, was sich an glänzenden Elektrodenoberflächen zeigt. Bei Kathoden stört dies die Lithium-Deinterkalation; bei Anoden führt es zu einer Lithiumablagerung auf der Oberfläche und damit zu Kapazitätsverlust.

3. Montagetoleranzen

Eine schlechte Elektrodenausrichtung, Separatorfalten oder interne Mikrokurzschlüsse erhöhen die lokale Impedanz und verringern die Kapazität. Gefaltete Separatoren führen in den betroffenen Bereichen zu einer unvollständigen Lithiuminterkalation (nicht goldenes Aussehen der Anode).

4. Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts

Erhöhte Feuchtigkeitsgrade (durch Elektroden, Elektrolyt, falschen Taupunkt der Handschuhbox oder Entgasungsprozesse) lösen Nebenreaktionen und Kapazitätsverlust aus.

5. Umweltkontrollen

Hohe Luftfeuchtigkeit beschleunigt Hydrolysereaktionen, während niedrige Temperaturen die Lithium-Ionen-Diffusion behindern. Beides reduziert die Kapazität. Abweichungen bei der Formationstemperatur beeinträchtigen zudem die Genauigkeit der Kapazitätsmessung.

6. Andere Faktoren

Fremdverunreinigungen: Metallische/magnetische Verunreinigungen erhöhen die Selbstentladung, was nach der Bildung zu einer scheinbar geringen Kapazität führt.

Lagerung vor der Formierung: Längere Lagerung bei hoher Temperatur/Luftfeuchtigkeit schädigt Elektroden und Elektrolyte und führt zu Kapazitätsverlust.

→ Fazit

Durch die systematische Untersuchung dieser Faktoren – von der Materialverträglichkeit und den Konstruktionsspielräumen bis hin zu Prozesskontrollen und Umgebungsbedingungen – kann die Grundursache der geringen Kapazität effektiv ermittelt und behoben werden.

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