鋰離子電池生產現場異物管控
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，都會造成電芯內部微短路。
金屬異物造成電池內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，導致正負極之間短路，這是物理短路。第二種情況，當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生溶解，通過電解液擴散，然后負極低電位下溶解的金屬再在負極表面析出堆積，最終刺穿隔膜，形成短路，這是化學溶解短路。電池工廠現場最常見的金屬異物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、不銹鋼等。電池制造現場容易發生異物混入電池產品的工藝包括電極漿料混入金屬雜質；極片切割工序產生切割毛刺或金屬碎屑,；卷繞工藝極片切斷產生毛刺或電芯內部混入金屬異物顆粒；極耳和殼體焊接產生金屬屑等等，如圖3和4所示。
關于金屬異物和毛刺的管控標準，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部短路不合格品；X射線檢出電芯內部的異物；老化工藝通過電池壓降ΔV檢出不合格品。絕緣耐電壓測試一般采用安規儀，在電芯熱壓整形時測試，儀器給電芯施加一個電壓，這個電壓持續一段規定的時間，然后檢測其電流是否保持在規定的范圍內，判斷電芯正負極內部有無短路。一般，施加電壓如圖5所示：
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，正負極極片由于相互靠近，僅僅15-30μm，裸電芯內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，當正負極之間不存在異物時，在測試電壓下漏電流小于規定值，判定電芯合格。而如果正負極之間存在一定尺寸的異物，隔膜被擠壓，正負極之間的間距減小，正負極之間擊穿電壓會下降，如果還加載相同的電壓，漏電流可能超過設定的警報值。通過設定測試電壓等參數，就可以統計分析判斷電芯內部的異物尺寸，然后根據實際產品生產現狀和品質要求，可以設定測試參數，制定品質判斷標準。
在測試中，主要的參數包括電壓緩升時間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，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，如果測試電芯內部存在異物，造成內部短路，隔膜被擊穿，具體情況如圖7所示。
因此，裸電芯的絕緣耐電壓測試是產品過程檢驗的一個重要步驟，可以檢測出不合格產品，提高最終電池產品的安全系數。實際測試需要考慮參數設定，判定標準等眾多因素。金屬異物在電芯內部會導致內部微短路，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行長達一個月的擱置檢測，時間周期長，影響因素大，并且長時間占用了較多的設備和場地，測試過程是對人力和財力的大量浪費。
總之，電池生產異物管控非常重要，車間潔凈度控制好壞可能直接影響電池安全性。
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