Wie erkennt man den durch Grate an den Batterieelektroden verursachten Kurzschluss?

In diesem Artikel werden die Ursachen für Nullspannung analysiert. Konzentriert sich auf das Phänomen der Nullspannung in der Batterie, die durch Elektrodengrate verursacht wird. Durch die Identifizierung der Ursache des Kurzschlusses wollen wir das Problem präzise lösen und besser verstehen, wie wichtig es ist, Elektrodengrate während der Produktion zu kontrollieren.

Experiment

1. Batterievorbereitung

Bei diesem Experiment wird Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat-Material (NCM111) als positives Aktivmaterial verwendet. Mischen Sie das positive Aktivmaterial, SP-Ruß, PVDF-Binder und NMP-Lösungsmittel in einem Massenverhältnis von 66:2:2:30, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wird auf eine 15 μm dicke, mit Kohlenstoff beschichtete Aluminiumfolie aufgetragen, und die Beschichtungsmenge auf einer Seite beträgt 270 g/m2. Legen Sie die positive Elektrode in einen Ofen bei einer Temperatur von (120 ± 3) °C, um sie 24 Stunden lang zu trocknen. Anschließend wird der Kalandrierungsprozess durchgeführt, um die verdichtete Dichte der Elektrode auf 3,28 g/cm3 zu bringen. Das negative Aktivmaterial verwendet Lithiumtitanatmaterial Li4Ti5O12. Mischen Sie das negative Aktivmaterial, das leitfähige SP-Rußmittel, das PVDF-Bindemittel und das NMP-Lösungsmittel im Massenverhältnis 52:2:2:44, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Anodenaufschlämmung wird auf eine 15 μm dicke, kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie aufgetragen, und die Beschichtungsmenge auf einer Seite beträgt 214 g/m2. Legen Sie die negative Elektrode in einen Ofen bei einer Temperatur von (110 ± 3) °C, um sie 24 Stunden lang zu trocknen, und führen Sie dann einen Rollvorgang durch, um die verdichtete Dichte des Elektrodenstücks auf 1,85 g/cm3 zu bringen. Die getrocknete Elektrode wird in Stücke mit einer Breite von (136,0 ± 1,0) mm geschnitten, und die Elektrodengrate sollten 12 μm nicht überschreiten. Der Elektrolyt verwendet 1 mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC (Volumenverhältnis 1:1:1). Der Separator ist ein poröser Separator aus Polyethylen (PE) mit einer Dicke von 20 μm. Die oben genannten Materialien werden zu 66160-Zellen mit einer Auslegungskapazität von 45 Ah zusammengebaut. Nach dem Aufwickeln und Zusammenbau wurde die obere Abdeckung des Aluminiumgehäuses verschweißt und versiegelt, und die Versuchszellen wurden zum Trocknen für 24 Stunden in einen Ofen bei einer Temperatur von (85 ± 3) °C gestellt.

Nach dem Trocknen werden die Batteriezellen befüllt und die Elektrolytmenge beträgt 200g. Nach dem Einfüllen des Elektrolyten wurden die Zellen 72 Stunden lang bei Raumtemperatur stehen gelassen. Nach dem Stehenlassen wurden alle Versuchszellen auf ihre Leerlaufspannung (OCV) getestet und der Innenwiderstand und die Spannung der Batterie aufgezeichnet.

2. Ladetest

Wenn Sie eine Innenwiderstands- und Spannungsanalyse durchführen, verwenden Sie zum Testen einen Wechselstrom-Innenwiderstandstester. Verwenden Sie das hochpräzise 5V-50A-Batterieleistungstestsystem, um die Ladeleistung der Batterie zu testen. Bei Zellen, die nach dem Befüllen stehen gelassen wurden, schließen Sie bei der Durchführung eines Spannungstests die Zelle zunächst kurz, um ihre Spannung auf 0 zu reduzieren, was einer Nullspannungszelle entspricht.

Führen Sie anschließend einen Ladetest an der Nullspannungszelle durch. Wenn die Umgebungstemperatur (25 ± 3) ℃ beträgt, werden zum Laden unterschiedliche Ströme (z. B. 1 A, 2 A und 3 A) verwendet. Die Experimente wurden in der Reihenfolge der Stromstärke von klein nach groß und der Zeit von kurz nach lang durchgeführt. Die Ladezeit wurde auf 5 Sekunden, 10 Sekunden bzw. 25 Sekunden eingestellt. Beobachten Sie die Veränderungen der Batteriespannung nach jedem Ladevorgang.

3. Selbstentladungstest

Verwenden Sie für die Elektrodengratanalyse ein zweidimensionales Messgerät. Verwenden Sie einen AC-Innenwiderstandstester für die Innenwiderstands- und Spannungsanalyse. Verwenden Sie ein hochpräzises 5V-50A-Batterieleistungstestsystem, um die elektrische Leistung zu testen. Verwenden Sie eine Hoch- und Niedertemperaturbox, um die Zellentemperatur zu steuern. Nachdem die Nullspannungszellen vor der Bildung aufgeladen sind, schmilzt der Grat und es tritt keine Nullspannung mehr auf. Testen Sie den normalen Entstehungsprozess dieser Batterie. Der Gründungsprozess ist wie folgt:

①Nachdem die Temperatur der Hochtemperaturbox 120℃ erreicht hat, warten Sie 120 Minuten.

②Laden Sie mit dem 1,0-fachen C-Strom bis zur Abschaltspannung von 2,8 V und wechseln Sie dann zum Laden mit konstanter Spannung. Die Ladeunterbrechungszeit beträgt 2 Stunden.

③Warten Sie 10 Minuten.

④Entladen Sie mit dem 1,0-fachen C-Strom bis zur Abschaltspannung von 1,5 V und wechseln Sie dann zur Entladung mit konstanter Spannung. Die Entladeschlusszeit beträgt 2 Stunden.

⑤Warten Sie 10 Minuten.

⑥Wiederholen Sie die Schritte 2 bis 5 dreimal.

⑦Laden mit 1,0-fachem C-Strom, Ladezeit beträgt 0,7 Stunden, dann Laden mit 2,3 V konstanter Spannung, Abschaltstrom beträgt 0,45 A. Führen Sie einen Selbstentladungstest an den gebildeten Zellen durch. Verwenden Sie die Methode zum Testen der statischen Spannung und testen Sie die Spannung mindestens zwei Monate lang. Nachdem die Zellen 24 Stunden lang bei Raumtemperatur (25 ± 5) °C stehen gelassen wurden, wird die Leerlaufspannung getestet und aufgezeichnet. Anschließend blieben die Zellen einen Monat und zwei Monate lang bei Raumtemperatur stehen und anschließend wurde die Leerlaufspannung erneut getestet und aufgezeichnet.

Resultate und Diskussion

1. Vergleich der Batteriespannung vor der Formation

Abbildung 1 zeigt die Batteriespannungsänderungen während des 1A- und 2A-Ladevorgangs und nach dem Stoppen des Ladevorgangs. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass eine Nullspannungsbatterie ungefähr als Kurzschluss angesehen werden kann, der durch innere Grate verursacht wird. Der Akku hält einem Stromtest von weniger als 2A innerhalb von 1 Minute stand. Bei einem Ladestrom von 1A und 2A erreicht die Spannung aufgrund des durch interne Grate verursachten Kurzschlusses einen stabilen Wert und ändert sich nicht mehr. Wenn der Ladevorgang gestoppt wird, geht die Spannung schnell auf 0 zurück.

Erhöhen Sie den Ladestrom weiter, ändern Sie den Ladestrom auf 3 A und stellen Sie die Ladezeit auf 5 s, 10 s bzw. 25 s ein. Die Batterieladetestkurve ist in Abbildung 2 dargestellt.

Gemäß der Beobachtung in Abbildung 2 ist die Spannungsänderung der Batterie bei Erreichen eines Ladestroms von 3 A ähnlich wie beim Laden mit 1 A und 2 A bei einer Ladezeit von 5 Sekunden und 10 Sekunden. Mit zunehmender Ladezeit steigt die Spannung langsam an, wenn die Ladezeit 10 Sekunden überschreitet. Wenn die Ladezeit 20 Sekunden erreicht, steigt die Spannung schnell an. Nachdem der Ladevorgang beendet wurde, fällt die Spannung langsam ab und das vorherige Nullspannungsphänomen tritt nicht nach kurzer Zeit auf.

Aus der Geschwindigkeit der Spannungsänderung während des Ladevorgangs lässt sich schließen, dass die Grate im Inneren der Batterie durch die beim Laden entstehende Wärme thermisch verschmolzen sind. Bevor die Grate verschmelzen, zeigt die Spannung innerhalb von 10 bis 20 Sekunden nach Beginn des Ladevorgangs eine langsam ansteigende Phase.

Nach 20 Sekunden schmilzt der Grat und die Batteriespannung steigt schnell an. Nach Beendigung des Ladevorgangs sinkt die Batteriespannung langsam. Es ist zu beachten, dass nach der Gratsicherung immer noch Metallverunreinigungen in der Batterie verbleiben, was zu einer schnelleren Selbstentladung als bei normalen Batterien führt. Daher ist es nach der Normalisierung der Batterie erforderlich, ihre Selbstentladungsrate zu testen.

2. Vergleich der Selbstentladung der Batterie nach der Bildung

Die für das Experiment ausgewählte Batterie wurde gemäß dem oben beschriebenen Bildungsprozess geladen und entladen. Nach Schritt ⑦ betrug der Ladezustand (SOC) der Batterie etwa 80 %. Der Selbstentladungstest der Batterie wurde bei Raumtemperatur durchgeführt und mit Batterien verglichen, die Verunreinigungen aus derselben Charge enthielten. Die Testdaten sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die durch Grate verursachte Selbstentladung des Akkus durchaus vorhanden ist und sich auf die Ladungserhaltungsfähigkeit des Akkus auswirkt. Durch die Analyse der Ursachen von Selbstentladungsanomalien durch den Ladestrom kann die abnormale Situation von Elektrodengraten während des Herstellungsprozesses intuitiv widergespiegelt werden.

Dies zeigt, dass es notwendig ist, die Anforderungen an die Prozesssteuerung während des Produktionsprozesses weiter zu verschärfen und den Schneider rechtzeitig zu warten, um die Batterieleistung sicherzustellen und Sicherheitsrisiken zu reduzieren. Nachdem der Grat weggeblasen ist, befinden sich noch Metallverunreinigungen in der Elektrode.

Aus den Selbstentladungsdaten nach der Messung der Batteriekapazität lässt sich schließen, dass die Spannung nach einem Monat bei Raumtemperatur bei einer normalen Batterie um etwa 7 mV abfällt; Nach zwei Monaten sinkt die Spannung um etwa 10 mV. Dies zeigt, dass die Selbstentladungsrate von Batterien mit übermäßigen Graten größer ist als die von normalen Batterien. Unter Berücksichtigung der Spannung vor der Bildung und der Analyse der Selbstentladungsdaten nach der Kapazitätsteilung kann der Schluss gezogen werden, dass übermäßige Grate zu einer abnormalen Ladungserhaltungsleistung der Batterie führen. Die auf den Batterieelektroden vorhandenen Grate verschwinden nicht vollständig und beeinträchtigen langfristig die Leistung der Batterie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Grate einen negativen Einfluss auf die Batterieleistung haben. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Gratbildung während des Herstellungsprozesses zu reduzieren, um die Batterieleistung und -sicherheit zu gewährleisten.

Abschluss

Im Batterieherstellungsprozess ist die Kontrolle der Größe der Elektrodengrate ein Schlüsselparameter. Wenn ein Grat einen Kurzschluss verursacht, wird die Spannung der Batterie nach dem Befüllen auf 0 sinken. Durch das Laden einer durch einen Grat kurzgeschlossenen Batterie mit einem kleinen Strom kann eine stabile Spannung beobachtet werden. Wenn der Strom den Wert der Gratsicherung erreicht, befinden sich immer noch Metallverunreinigungen in der Batterie, die weiterhin die Selbstentladung der Batterie beeinträchtigen, was zu einer höheren Selbstentladungsrate als bei normalen Batterien führt. Mit dieser Methode können Batteriekurzschlüsse erkannt werden, die durch Grate bei der Batterieherstellung entstehen. Durch die Beobachtung von Spannungsänderungen können wir die Inspektionen von Schneid-, Stanz- und Wickelanlagen während des Batterieproduktionsprozesses verstärken, um die Produktion großer Mengen unqualifizierter Batterien zu vermeiden. Durch das Laden von durch Grate kurzgeschlossenen Batterien mit niedrigem Strom und die Überwachung von Spannungsänderungen können daher Probleme im Batterieherstellungsprozess effektiv identifiziert und relevante Prozesskontrollen gesteuert werden, um die Batteriequalität und -leistung sicherzustellen.