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鋰離子電池極片涂層氣泡缺陷研究

2022-12-07 來(lái)源:鋰電前沿

導(dǎo)讀:粉塵、水分和毛刺是鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制的關(guān)鍵因素。嚴(yán)格控制電池生產(chǎn)環(huán)境的粉塵對(duì)鋰離子電池的安全和性能至關(guān)重要。生產(chǎn)環(huán)境粉塵控制不足會(huì)導(dǎo)致涂層表面產(chǎn)生大量的氣泡,由于鋰離子電池的極片表面質(zhì)量對(duì)電池使用性能影響很大,如果極片上存在氣泡等異常點(diǎn),會(huì)使電池的循環(huán)壽命、放電穩(wěn)定性和使用安全性存在較大隱患。因此,涂布液的脫泡技術(shù)和涂布后極片表面氣泡消除問(wèn)題值得研究。


1 涂層氣泡概述 

1.1 涂層氣泡現(xiàn)狀描述 


生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),涂布時(shí)涂層表面會(huì)出現(xiàn)大小不一的圓形異常區(qū)域,經(jīng)過(guò)輥壓機(jī)輥壓后,圖 1 中涂覆區(qū)表面出現(xiàn)的圓形顏色異常區(qū)域即為氣泡,圓形區(qū)內(nèi)部顏色較深,說(shuō)明此處碳層偏薄,輕度凹陷導(dǎo)致未輥壓到;圓形區(qū)邊緣出現(xiàn)亮色邊線(xiàn),是因?yàn)榇颂幤瘢瑝簩?shí)密度較大。69d512b65fdca0ae4703550196ca3419.jpg


圖1 帶有氣泡的負(fù)極片


1.2 氣泡微觀成像及來(lái)源分析

涂層出現(xiàn)氣泡會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)報(bào)廢,那么氣泡出現(xiàn)的原因是什么呢?只有了解氣泡構(gòu)成才能查出氣泡來(lái)源,進(jìn)而從根本上消除氣泡。從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)選取帶有氣泡的負(fù)極片,取樣后使用掃描電鏡放大200 倍觀察,發(fā)現(xiàn)氣泡處有異物,呈纖維狀或者片狀,如圖2 所示,說(shuō)明此類(lèi)極片在涂布時(shí)涂布液內(nèi)混入了雜質(zhì),此類(lèi)雜質(zhì)是由于生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境潔凈度不合格導(dǎo)致。

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圖 2 掃描電鏡 200 倍放大圖

1.3 電池拆解、循環(huán)實(shí)驗(yàn)及氣泡危害分析

1.3.1 循環(huán)實(shí)驗(yàn)及電性能分析
將氣泡極片制成3 只電池,在常溫下進(jìn)行500 次循環(huán)性能實(shí)驗(yàn),當(dāng)電池容量保持率低于90%時(shí)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)終止。3 只電池使用的負(fù)極氣泡極片比例占電池總負(fù)極片的比例分別為10%、40%、70%,電池的循環(huán)結(jié)果見(jiàn)圖3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

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圖 3 有氣泡電池的循環(huán)性能 


表 1  有氣泡電池循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 

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從表1 中數(shù)據(jù)可以看出,3 只電池的循環(huán)性能都較差,且電池內(nèi)部氣泡極片比例越高,循環(huán)性能越差。電池2 和電池3由于容量保持率低于90%,提前終止了循環(huán)實(shí)驗(yàn);電池1 循環(huán)500次后的容量保持率較低,滿(mǎn)足不了客戶(hù)要求,因此,制定消泡措施意義重大。

1.3.2 電池拆解及安全性能分析

將上述3只電池在滿(mǎn)電狀態(tài)下解剖,氣泡處外觀如圖4所示。

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圖4 電池滿(mǎn)電解剖后負(fù)極片上的氣泡

從圖4可以看出,與正常區(qū)域相比,化成后氣泡中心是白色,說(shuō)明此處發(fā)生析鋰,周?chē)幸蝗Π祷疑^(guò)渡,說(shuō)明此處碳層較厚,鋰離子未完全嵌入,剛好與圖1 對(duì)應(yīng)。原理是:電池充放電時(shí)發(fā)生電泳反應(yīng),當(dāng)正極片對(duì)面的負(fù)極部位容量不足時(shí),充電時(shí)所產(chǎn)生的部分或全部的鋰就無(wú)法插入負(fù)極石墨的間層結(jié)構(gòu)中,會(huì)在負(fù)極片表面析出,形成突起狀枝晶,而下一次充電時(shí),這個(gè)突起部分更容易造成鋰的析出,經(jīng)過(guò)幾十至上百次的循環(huán)充放電后,枝晶會(huì)長(zhǎng)大,最后會(huì)刺穿隔膜,使內(nèi)部產(chǎn)生短路,導(dǎo)致安全事故發(fā)生。因此應(yīng)盡量杜絕涂布表面氣泡的產(chǎn)生。


2 消泡措施
要從根本上消除極片表面氣泡,需要找到氣泡產(chǎn)生的原因。
2.1 氣泡產(chǎn)生原理
在合漿、轉(zhuǎn)運(yùn)和涂布過(guò)程中,粉塵或長(zhǎng)度較大的毛絮物等異物混入涂布液中或落到濕涂層表面,該處涂層表面張力因受外力影響導(dǎo)致分子間作用力發(fā)生改變,漿料發(fā)生輕度轉(zhuǎn)移,經(jīng)烘干后形成圓形痕跡,中間偏薄,其變化過(guò)程如圖5 所示。

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圖5 異物產(chǎn)生氣泡過(guò)程

2.2 消泡措施

結(jié)合鋰電池生產(chǎn)工藝,針對(duì)由異物導(dǎo)致的這種涂布?xì)馀?,需要找出生產(chǎn)過(guò)程中漿料可能混入異物的所有環(huán)節(jié),加以嚴(yán)格控制,才能減少此類(lèi)氣泡,例如原材料自帶異物、原材料存儲(chǔ)不當(dāng)混入異物、合漿攪拌過(guò)程混入異物、漿料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程混入異物、車(chē)間大環(huán)境中異物落入漿料和濕涂層表面從而產(chǎn)生的涂布?xì)馀莸?。需要提高?chē)間環(huán)境潔凈度和加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程密閉性、減少外界異物與涂布漿料接觸等方法來(lái)消除涂布?xì)馀荩?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">具體包括:
(1)嚴(yán)控原材料的生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等過(guò)程,禁止異物混入;加強(qiáng)原材料入檢。
(2)保持合漿車(chē)間潔凈度。采用自動(dòng)投料設(shè)備,減少投料過(guò)程人員參與;合漿車(chē)間的人員和物料通道要分開(kāi)布置。
(3)攪拌完成的漿料禁止暴露在外部環(huán)境中,要密封保存。
(4)合漿工和涂布工著裝規(guī)范,穿防塵服,并使用無(wú)塵布、橡膠手套等無(wú)塵無(wú)屑的勞保用品進(jìn)行作業(yè)。
(5)涂布機(jī)周?chē)沫h(huán)境潔凈度要達(dá)標(biāo),防止異物落到濕涂層表面,包括以下幾點(diǎn):涂布機(jī)頭料槽要加蓋防護(hù)罩,防止異物落入料中;涂布機(jī)烘箱內(nèi)部和進(jìn)出風(fēng)道要定期清理除塵;涂布機(jī)進(jìn)風(fēng)要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格過(guò)濾且定期更換濾芯;涂布機(jī)出風(fēng)口要安裝單向閥門(mén),避免停機(jī)時(shí)外部污染源倒灌入涂布機(jī)烘箱。
(6)當(dāng)增加涂布烘箱排風(fēng)量時(shí),會(huì)突然出現(xiàn)大量涂布?xì)馀荩?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">原因是:涂布烘箱進(jìn)出風(fēng)道積塵較多,很難清理,增大風(fēng)量會(huì)將積塵吹入烘箱落在濕涂層上,產(chǎn)生大量涂布?xì)馀?。消泡措施包括:一,烘箱風(fēng)道定期除塵;二,將烘箱風(fēng)量數(shù)據(jù)固化在工藝文件中,無(wú)權(quán)限人員不得隨意調(diào)節(jié)。
實(shí)際生產(chǎn)中,一旦出現(xiàn)氣泡,可以根據(jù)上述措施逐條排除,只有上述多項(xiàng)措施全面持續(xù)地實(shí)施,才可以持續(xù)降低生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的氣泡報(bào)廢率,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。

3 電池性能的改善和提升

消泡措施實(shí)施后,取2只正常無(wú)氣泡電池在常溫下進(jìn)行500次循環(huán)性能實(shí)驗(yàn),當(dāng)電池容量保持率低于90%時(shí)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)終止。電池的循環(huán)結(jié)果見(jiàn)圖6。


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圖6 正常無(wú)氣泡電池循環(huán)性能


表2 無(wú)氣泡電池循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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將表2 中的正常電池循環(huán)數(shù)據(jù)與表1 中的有氣泡電池循環(huán)數(shù)據(jù)對(duì)比,可以看出消泡措施全面實(shí)施后,正常電池循環(huán)500 次的容量保持率平均高于有氣泡電池2%以上,證明了消泡措施的實(shí)施對(duì)電池循環(huán)壽命有很大的提升。

4 小結(jié)

涂布?xì)馀輪?wèn)題嚴(yán)重影響電池生產(chǎn)過(guò)程,會(huì)增加生產(chǎn)成本,降低電池放電性能和安全性能。本文結(jié)合鋰電池實(shí)際生產(chǎn)情況,全面介紹了涂層產(chǎn)生氣泡的原因、氣泡的微觀形貌及各類(lèi)針對(duì)性措施,并對(duì)措施實(shí)施前后的產(chǎn)出電池進(jìn)行了電性能實(shí)驗(yàn)和對(duì)比分析。在生產(chǎn)過(guò)程中要多積累經(jīng)驗(yàn),發(fā)生問(wèn)題時(shí)要針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析,才能快速高效的消除涂布?xì)馀?,確保電池質(zhì)量。


參考文獻(xiàn):

康婷婷,李延濤,王云輝  鋰離子電池負(fù)極涂層氣泡缺陷研究 電源技術(shù)2018.12 Vol.42 No.12

 

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