鋰離子電池生產(chǎn)現(xiàn)場異物管控

2023-01-05 來源：鋰電前沿

極片上的顆粒或微量金屬殘渣、隔膜上的微小缺陷、電芯在組裝過程中引入的粉塵等，都會造成電芯內(nèi)部微短路。

圖1 金屬異物導(dǎo)致電池內(nèi)部短路的原理

金屬異物造成電池內(nèi)部短路的基本原理有兩種過程，如圖1所示。第一種情況，尺寸較大的金屬顆粒直接刺穿隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極之間短路，這是物理短路。第二種情況，當(dāng)金屬異物混入正極后，充電之后正極電位升高，高電位下金屬異物發(fā)生溶解，通過電解液擴(kuò)散，然后負(fù)極低電位下溶解的金屬再在負(fù)極表面析出堆積，最終刺穿隔膜，形成短路，這是化學(xué)溶解短路。電池工廠現(xiàn)場最常見的金屬異物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、不銹鋼等。

電池制造現(xiàn)場容易發(fā)生異物混入電池產(chǎn)品的工藝包括電極漿料混入金屬雜質(zhì)；極片切割工序產(chǎn)生切割毛刺或金屬碎屑,；卷繞工藝極片切斷產(chǎn)生毛刺或電芯內(nèi)部混入金屬異物顆粒；極耳和殼體焊接產(chǎn)生金屬屑等等，如圖3和4所示。

圖3 極片激光切割碎屑

圖4 分切毛刺

關(guān)于金屬異物和毛刺的管控標(biāo)準(zhǔn)，一般毛刺尺寸小于隔膜厚度的一半，但是有些廠家控制要求更加嚴(yán)格，毛刺不超出涂層，如下視頻：

在過程檢測中，注液前電池通過耐電壓測試檢出內(nèi)部短路不合格品；X射線檢出電芯內(nèi)部的異物；老化工藝通過電池壓降ΔV檢出不合格品。

耐電壓測試檢出金屬異物

絕緣耐電壓測試一般采用安規(guī)儀，在電芯熱壓整形時測試，儀器給電芯施加一個電壓，這個電壓持續(xù)一段規(guī)定的時間，然后檢測其電流是否保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，判斷電芯正負(fù)極內(nèi)部有無短路。一般，施加電壓如圖5所示：

圖5 絕緣耐電壓測試示意圖

①在一定時間t1內(nèi)，對電芯從0開始加電壓至U。

②電壓U保持一段時間至t2。

③測試完成后，切斷測試電壓，并對電芯雜散電容放電。

在測試中，正負(fù)極極片由于相互靠近，僅僅15-30μm，裸電芯內(nèi)部會形成一定的電容（雜散電容），由于電容量存在，測試電壓必須由“零”開始，緩慢上升，以避免充電電流過大，電容量越大所需的緩升時間t1越長，一次所能增加的電壓也越低。充電電流過大時，一定會引起測試器的誤判，使測試的結(jié)果不正確。一旦被測電芯的雜散電容被充滿，只會剩下實際的漏電電流。由于直流耐壓測試會對被測電芯充電，所以在測試后，一定要對被測電芯放電。

隔膜都存在一定的耐電壓強度，當(dāng)加載電壓過高時肯定能夠擊穿隔膜，形成漏電流。因此，首先電芯絕緣測試電壓要低于擊穿電壓。如圖6所示，當(dāng)正負(fù)極之間不存在異物時，在測試電壓下漏電流小于規(guī)定值，判定電芯合格。而如果正負(fù)極之間存在一定尺寸的異物，隔膜被擠壓，正負(fù)極之間的間距減小，正負(fù)極之間擊穿電壓會下降，如果還加載相同的電壓，漏電流可能超過設(shè)定的警報值。通過設(shè)定測試電壓等參數(shù)，就可以統(tǒng)計分析判斷電芯內(nèi)部的異物尺寸，然后根據(jù)實際產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)狀和品質(zhì)要求，可以設(shè)定測試參數(shù)，制定品質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 異物尺寸與耐電壓測試示例（數(shù)值為假定值）

在測試中，主要的參數(shù)包括電壓緩升時間t1，電壓保持時間t2，加載電壓U，以及報警漏電流。前面所述，t1和U與電芯雜散電容有關(guān)，電容量越大所需的緩升時間t1越長，加載電壓U越低。而且U也與隔膜本身的耐電壓強度有關(guān)，如果測試電芯內(nèi)部存在異物，造成內(nèi)部短路，隔膜被擊穿，具體情況如圖7所示。

圖7 電芯耐電壓測試內(nèi)部異物短路

因此，裸電芯的絕緣耐電壓測試是產(chǎn)品過程檢驗的一個重要步驟，可以檢測出不合格產(chǎn)品，提高最終電池產(chǎn)品的安全系數(shù)。實際測試需要考慮參數(shù)設(shè)定，判定標(biāo)準(zhǔn)等眾多因素。

老化工藝檢出金屬異物

金屬異物在電芯內(nèi)部會導(dǎo)致內(nèi)部微短路，電池自放電，電壓下降。一般老化程序為：三元材料等電池充電到4.0-4.2V，常溫存儲 7d，高溫45℃存儲7d，檢測電池老化前后的電壓差剔除不合格品。將電池在高溫或常溫狀態(tài)下開路擱置 7 天或 28 天，通過對電池放電至截止電壓測量其放電電量來判斷其自放電性能，如圖2所示。該方法需要對電池進(jìn)行長達(dá)一個月的擱置檢測，時間周期長，影響因素大，并且長時間占用了較多的設(shè)備和場地，測試過程是對人力和財力的大量浪費。