Como detectar o curto-circuito causado por rebarbas nos eletrodos da bateria？

Este artigo analisa as causas da tensão zero. Focado no fenômeno de tensão zero na bateria causada por rebarbas de eletrodo. Ao identificar a causa do curto-circuito, pretendemos resolver o problema com precisão e compreender melhor a importância de controlar as rebarbas dos eletrodos durante a produção.

Experimentar

1. Preparação da bateria

Este experimento usa material manganato de lítio-níquel-cobalto (NCM111) como material ativo positivo. Misture o material ativo positivo, negro de fumo SP, aglutinante PVDF e solvente NMP em uma proporção de massa de 66:2:2:30 para fazer uma pasta. A pasta é revestida em uma folha de alumínio revestida de carbono com 15 μm de espessura e a quantidade de revestimento em um lado é de 270 g/m2. Colocar o eletrodo positivo em estufa com temperatura de (120±3)°C para secar por 24 horas, e em seguida é realizado o processo de calandragem para que a densidade compactada do eletrodo seja 3,28g/cm3. O material ativo negativo usa material de titanato de lítio Li4Ti5O12. Misture o material ativo negativo, agente condutor de negro de fumo SP, aglutinante PVDF e solvente NMP de acordo com a proporção de massa de 52:2:2:44 para fazer uma pasta. A pasta anódica é revestida com uma folha de alumínio revestida de carbono com 15 μm de espessura e a quantidade de revestimento em um lado é de 214 g/m2. Coloque o eletrodo negativo em um forno a uma temperatura de (110±3)°C para secar por 24 horas e, em seguida, execute um processo de laminação para tornar a densidade compactada da peça do eletrodo de 1,85g/cm3. O eletrodo seco é cortado em pedaços com largura de (136,0±1,0) mm, e as rebarbas do eletrodo não devem exceder 12μm. O eletrólito usa 1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC (proporção de volume 1:1:1). O separador é um separador poroso de polietileno (PE) com 20 μm de espessura. Os materiais acima são montados em células 66160 com capacidade projetada de 45Ah. Após enrolamento e montagem, a tampa superior do invólucro de alumínio foi soldada e selada, e as células experimentais foram colocadas em estufa à temperatura de (85±3)°C para secar por 24 horas.

Após a secagem, preencha as células da bateria, e a quantidade de eletrólito é de 200g. Após o enchimento com eletrólito, as células foram deixadas em repouso à temperatura ambiente durante 72 horas. Após o repouso, todas as células experimentais foram testadas quanto à tensão de circuito aberto (OCV), e a resistência interna e a tensão da bateria foram registradas.

2. Teste de carregamento

Ao realizar análises de resistência interna e tensão, use um testador de resistência interna CA para testar. Use o sistema de teste de desempenho da bateria de alta precisão 5V-50A para testar o desempenho de carregamento da bateria. Para células que ficaram em pé após o enchimento, ao realizar um teste de tensão, primeiro curto-circuite a célula para reduzir sua tensão para 0, que é uma célula de tensão zero.

Em seguida, execute um teste de carga na célula de tensão zero. Quando a temperatura ambiente é (25±3)℃, diferentes correntes (como 1A, 2A e 3A) são usadas para carregar. Os experimentos foram conduzidos na ordem de corrente de pequena para grande e de tempo de curto para longo. O tempo de carregamento foi definido para 5 segundos, 10 segundos e 25 segundos, respectivamente. Observe as mudanças na tensão da bateria após cada carregamento.

3. Teste de autodescarga

Use um testador bidimensional para análise de rebarbas de eletrodo. Use um testador de resistência interna CA para análise de resistência interna e tensão. Use um sistema de teste de desempenho de bateria de alta precisão 5V-50A para testar o desempenho elétrico. Use uma caixa de alta e baixa temperatura para controlar a temperatura das células. Depois que as células de tensão zero antes da formação serem carregadas, a rebarba se funde e a tensão zero não aparece mais. Teste o processo normal de formação desta bateria. O processo de formação é o seguinte:

①Depois que a temperatura da caixa de alta temperatura atingir 120 ℃, aguarde 120 minutos.

②Carregue com 1,0 vezes a corrente C até a tensão de corte de 2,8 V e, em seguida, mude para carregamento de tensão constante. O tempo limite de carregamento é de 2 horas.

③Aguarde 10 minutos.

④Descarregue com 1,0 vezes a corrente C até a tensão de corte de 1,5V e, em seguida, mude para descarga de tensão constante. O tempo limite de descarga é de 2 horas.

⑤Aguarde 10 minutos.

⑥Repita as etapas 2 a 5 3 vezes.

⑦Carregue com corrente 1,0 vezes C, o tempo de carregamento é de 0,7 horas e, em seguida, carregue com tensão constante de 2,3 V, a corrente de corte é de 0,45 A. Realize o teste de autodescarga nas células formadas. Use o método de teste de tensão estática e teste a tensão por pelo menos dois meses. Após as células serem deixadas em repouso à temperatura ambiente (25±5)°C durante 24 horas, a tensão de circuito aberto é testada e registrada. Posteriormente, as células continuaram em temperatura ambiente por um mês e dois meses, e então a tensão do circuito aberto foi testada e registrada novamente.

Resultados e discussão

1. Comparação da tensão da bateria antes da formação

A Figura 1 mostra as mudanças na tensão da bateria durante o carregamento de 1A e 2A e após interromper o carregamento. Pode-se observar na figura que uma bateria de tensão zero pode ser considerada aproximadamente como um curto-circuito causado por rebarbas internas. A bateria pode suportar um teste de corrente inferior a 2A em 1 minuto. Quando a corrente de carga é 1A e 2A, devido ao curto-circuito causado por rebarbas internas, a tensão atinge um valor estável e não muda mais. Quando o carregamento é interrompido, a tensão retorna rapidamente para 0.

Continue a aumentar a corrente de carregamento, altere a corrente de carregamento para 3A e defina o tempo de carregamento para 5s, 10s e 25s, respectivamente. A curva de teste de carga da bateria é mostrada na Figura 2.

De acordo com a observação da Figura 2, quando a corrente de carga atinge 3A, a mudança de tensão da bateria é semelhante à do carregamento de 1A e 2A sob o tempo de carregamento de 5 segundos e 10 segundos. À medida que o tempo de carregamento se prolonga, quando o tempo de carregamento excede 10 segundos, a tensão aumenta lentamente. Quando o tempo de carregamento atinge 20 segundos, a tensão aumenta rapidamente. Após a interrupção do carregamento, a tensão cai lentamente e o fenômeno anterior de tensão zero não aparece em um curto período de tempo.

Com base na velocidade da mudança de tensão durante o carregamento, pode-se concluir que as rebarbas dentro da bateria foram fundidas termicamente devido ao calor gerado pelo carregamento. Antes que as rebarbas se fundam, a tensão mostra um estágio de aumento lento dentro de 10 a 20 segundos após o início do carregamento.

Após 20 segundos, a rebarba se funde e a tensão da bateria aumenta rapidamente. Depois de parar o carregamento, a tensão da bateria diminui lentamente. É importante notar que após a rebarba se fundir, impurezas metálicas ainda permanecem dentro da bateria, causando autodescarga mais rápida do que as baterias normais. Portanto, após normalizar a bateria, é necessário testar sua taxa de autodescarga.

2. Comparação da autodescarga da bateria após a formação

A bateria selecionada para o experimento foi carregada e descarregada de acordo com o processo de formação acima. Após a etapa ⑦, o estado de carga (SOC) da bateria era de aproximadamente 80%. O teste de autodescarga da bateria foi realizado em temperatura ambiente e comparado com baterias contendo impurezas do mesmo lote. Os dados do teste são mostrados na Tabela 1.

Pode-se observar na Tabela 1 que a autodescarga da bateria causada por rebarbas existe e tem impacto na capacidade de retenção de carga da bateria. A análise das causas das anormalidades de autodescarga através da corrente de carga pode refletir intuitivamente a situação anormal das rebarbas do eletrodo durante o processo de fabricação.

Isto mostra que é necessário fortalecer ainda mais os requisitos de controle de processo durante o processo de produção e manter o cortador em tempo hábil para garantir o desempenho da bateria e reduzir os riscos de segurança. Depois que a rebarba é soprada, ainda há impurezas metálicas dentro do eletrodo.

De acordo com os dados de autodescarga após medição da capacidade da bateria, pode-se concluir que após uma bateria normal ser deixada em temperatura ambiente por um mês, a tensão cai cerca de 7mV; depois de dois meses, a tensão cai cerca de 10mV. Isto mostra que a taxa de autodescarga das baterias com rebarbas excessivas é maior do que a das baterias normais. Levando em consideração a tensão antes da formação e a análise dos dados de autodescarga após a divisão da capacidade, pode-se concluir que rebarbas excessivas levarão a um desempenho anormal de retenção de carga da bateria. As rebarbas presentes nos eletrodos da bateria não desaparecerão completamente e afetarão o desempenho da bateria a longo prazo.

Em resumo, as rebarbas têm um impacto negativo no desempenho da bateria, pelo que devem ser tomadas medidas para reduzir a formação de rebarbas durante o processo de fabrico para garantir o desempenho e a segurança da bateria.

Conclusão

No processo de fabricação da bateria, controlar o tamanho das rebarbas do eletrodo é um parâmetro fundamental. Quando uma rebarba causa um curto-circuito, a tensão da bateria se tornará 0 após o enchimento. Ao carregar uma bateria em curto-circuito causado por uma rebarba com uma corrente pequena, uma tensão estável pode ser observada. Quando a corrente atinge o valor do fusível das rebarbas, ainda há impurezas metálicas dentro da bateria, o que continuará a afetar a autodescarga da bateria, resultando em uma taxa de autodescarga mais alta do que as baterias normais. Este método pode ser usado para identificar curtos-circuitos na bateria causados ​​por rebarbas durante a fabricação da bateria. Ao observar as mudanças na tensão, podemos orientar o fortalecimento das inspeções de equipamentos de corte, corte e enrolamento durante o processo de produção de baterias para evitar a produção de grandes quantidades de baterias não qualificadas. Portanto, ao carregar baterias em curto-circuito causadas por rebarbas com baixa corrente e monitorar mudanças de tensão, problemas no processo de fabricação da bateria podem ser identificados de forma eficaz e controles de processo relevantes podem ser orientados para garantir a qualidade e o desempenho da bateria.