Causas e soluções para manchas pretas em eletrodos de bateria de lítio

I. Características do fenômeno da mancha preta

Aparência visual:

• Manchas pretas ou cinza-escuras aparecendo na superfície do eletrodo, concentradas principalmente nas bordas da área de revestimento ou na interface do enrolamento;
• As regiões de manchas pretas são acompanhadas por delaminação da camada intermediária de grafite e expansão do material ativo, levando a uma espessura local anormal (aumento superior a 85%).

Impacto no desempenho:

• Perda de capacidade (perda típica de 5–10%), com redução da vida útil do ciclo de mais de 30%;
• O revestimento de lítio em áreas com pontos pretos aumenta o risco de fuga térmica, com temperaturas localizadas atingindo mais de 80°C.

II. Análise da Causa Principal

Defeitos materiais:

• Excesso de impurezas em matérias-primas (por exemplo, óleo de laminação residual em folha de cobre) ou aglomeração de agente condutor (tamanho de partícula > 5 μm), levando à falha localizada da rede condutora;
• Contaminação na superfície do substrato (poeira, partículas metálicas) dificultando a molhagem da pasta, causando evaporação anormal do solvente durante a secagem.

Desvios do processo:

• Má dispersão da pasta de revestimento, introduzindo bolhas que formam defeitos do tipo microperfuração;
• Mudanças repentinas nos gradientes de temperatura de secagem levam à rápida formação de película na superfície, aprisionando solventes internos e causando rachaduras por tensão;
• Controle inadequado da pressão negativa durante a formação (flutuação de pressão >10%), acelerando a deposição de produtos de decomposição de eletrólitos.

Falha de reação interfacial:

• O HF gerado pela decomposição do LiPF₆ no eletrólito corrói a camada de grafite, causando ruptura localizada do filme SEI;
• Concentração insuficiente de sal de lítio ou entrada de umidade (>50 ppm), desencadeando reações colaterais que produzem subprodutos de alta resistência, como LiF e Li₂O.

III. Soluções Comuns

Medidas de otimização de processos:

• Adote um sistema de controle de revestimento de circuito fechado para manter as flutuações de tensão ≤0,5% e corresponder aos gradientes de temperatura de secagem (taxa de aquecimento ≤3°C/min);
• Otimize os parâmetros de pressão negativa da formação (por exemplo, nível de vácuo controlado de -90 a -95 kPa) e verifique a estabilidade do processo usando ferramentas de simulação de bloqueio.

Soluções de modificação de materiais:

• Aumentar a proporção de ligante para 3–5% (por exemplo, PVDF) para suprimir a sedimentação da pasta e a aglomeração de partículas;
• Use coletores de corrente nanocompostos (por exemplo, folha de alumínio revestida de carbono) para reduzir a resistência de contato interfacial em mais de 30%.

Atualizações de controle ambiental:

• Manter a umidade da oficina ≤30%, com limpeza de plasma com folha de cobre atingindo um ângulo de molhagem ≤20°;
• Tratamento de pré-litiação antes do armazenamento para reduzir a perda de lítio ativo do eletrodo negativo (taxa de recuperação de capacidade melhorada em 7–9%).

IV. Métodos de Detecção e Validação

Análise microscópica:

• SEM/EDS para examinar a composição de áreas de manchas pretas (conteúdo anormal de O/F/P indica decomposição de eletrólitos);
• XRD para analisar o espaçamento entre camadas de grafite (d002 > 0,344 nm sugere dano estrutural).

Ferramentas de Validação de Processos:

• Use ferramentas de simulação de bloqueio de formação para testar células, coletando curvas de pressão e temperatura para corresponder às condições de limite;
• Teste de armazenamento em alta temperatura (55°C/7 dias) para verificar a taxa de propagação de manchas pretas e rastrear células anormais.