In diesem Artikel werden die Ursachen für Nullspannung analysiert. Der Schwerpunkt liegt auf dem Phänomen der Nullspannung in der Batterie, das durch Elektrodengrate verursacht wird. Durch die Identifizierung der Ursache des Kurzschlusses möchten wir das Problem präzise lösen und die Bedeutung der Kontrolle von Elektrodengraten während der Produktion besser verstehen.
Experiment
1. Batterievorbereitung
In diesem Experiment wird Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat (NCM111) als positives Aktivmaterial verwendet. Mischen Sie das positive Aktivmaterial, SP-Ruß, PVDF-Bindemittel und NMP-Lösungsmittel in einem Massenverhältnis von 66:2:2:30, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wird auf eine 15 μm dicke kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie aufgetragen, und die Beschichtungsmenge auf einer Seite beträgt 270 g/m2. Legen Sie die positive Elektrode zum Trocknen 24 Stunden lang in einen Ofen mit einer Temperatur von (120±3) Grad, und führen Sie dann einen Kalandrierungsprozess durch, um die verdichtete Dichte der Elektrode auf 3,28 g/cm3 zu bringen. Das negative Aktivmaterial verwendet Lithiumtitanatmaterial Li4Ti5O12. Mischen Sie das negative Aktivmaterial, das SP-Ruß-Leitmittel, das PVDF-Bindemittel und das NMP-Lösungsmittel in einem Massenverhältnis von 52:2:2:44, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Anodenaufschlämmung wird auf eine 15 μm dicke, kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie aufgetragen, und die Beschichtungsmenge auf einer Seite beträgt 214 g/m2. Legen Sie die negative Elektrode zum Trocknen 24 Stunden lang in einen Ofen mit einer Temperatur von (110 ± 3) Grad und führen Sie dann einen Walzvorgang durch, um die verdichtete Dichte des Elektrodenstücks auf 1,85 g/cm3 zu bringen. Die getrocknete Elektrode wird in Stücke mit einer Breite von (136,0 ± 1,0) mm geschnitten, und die Elektrodengrate sollten 12 μm nicht überschreiten. Der Elektrolyt verwendet 1 mol/l LiPF6/EC+EMC+DMC (Volumenverhältnis 1:1:1). Der Separator ist ein 20 μm dicker poröser Separator aus Polyethylen (PE). Die oben genannten Materialien werden zu 66160 Zellen mit einer Auslegungskapazität von 45 Ah zusammengebaut. Nach dem Wickeln und Zusammenbauen wurde die obere Abdeckung der Aluminiumhülle verschweißt und versiegelt, und die Versuchszellen wurden zum Trocknen 24 Stunden lang in einen Ofen mit einer Temperatur von (85 ± 3) Grad gestellt.
Nach dem Trocknen werden die Batteriezellen gefüllt, und die Elektrolytmenge beträgt 200 g. Nach dem Einfüllen des Elektrolyts wurden die Zellen 72 Stunden lang bei Raumtemperatur stehen gelassen. Nach dem Stehenlassen wurden alle Versuchszellen auf Leerlaufspannung (OCV) getestet und der Innenwiderstand und die Spannung der Batterie aufgezeichnet.
2. Ladetest
Verwenden Sie zum Durchführen einer Innenwiderstands- und Spannungsanalyse einen AC-Innenwiderstandstester zum Testen. Verwenden Sie das hochpräzise 5V-50A-Batterieleistungstestsystem, um die Ladeleistung der Batterie zu testen. Bei Zellen, die nach dem Befüllen stehen gelassen wurden, schließen Sie beim Durchführen eines Spannungstests zuerst die Zelle kurz, um ihre Spannung auf 0 zu reduzieren, was eine Nullspannungszelle ist.
Führen Sie dann einen Ladetest an der spannungsfreien Zelle durch. Wenn die Umgebungstemperatur (25 ± 3) Grad beträgt, werden zum Laden unterschiedliche Ströme (z. B. 1 A, 2 A und 3 A) verwendet. Die Experimente wurden in der Reihenfolge des Stroms von klein nach groß und der Zeit von kurz nach lang durchgeführt. Die Ladezeit wurde auf 5 Sekunden, 10 Sekunden bzw. 25 Sekunden eingestellt. Beobachten Sie die Änderungen der Batteriespannung nach jeder Ladezeit.
3. Selbstentladungstest
Verwenden Sie einen zweidimensionalen Tester zur Elektrodengratanalyse. Verwenden Sie einen AC-Innenwiderstandstester zur Innenwiderstands- und Spannungsanalyse. Verwenden Sie ein hochpräzises 5-V-Batterieleistungstestsystem, um die elektrische Leistung zu testen. Verwenden Sie eine Hoch- und Niedertemperaturbox, um die Zellentemperatur zu kontrollieren. Nachdem die Nullspannungszellen vor der Formierung aufgeladen wurden, schmilzt der Grat und es tritt keine Nullspannung mehr auf. Testen Sie den normalen Formierungsprozess dieser Batterie. Der Formierungsprozess läuft wie folgt ab:
①Wenn die Temperatur der Hochtemperaturbox 120 Grad erreicht, warten Sie 120 Minuten.
②Laden Sie mit 1,0-fachem C-Strom bis zur Abschaltspannung von 2,8 V und wechseln Sie dann zum Laden mit konstanter Spannung. Die Ladeabschaltzeit beträgt 2 Stunden.
③Warten Sie 10 Minuten.
④Entladen Sie mit 1,0-fachem C-Strom bis zur Abschaltspannung von 1,5 V und wechseln Sie dann zur Konstantspannungsentladung. Die Entladeabschaltzeit beträgt 2 Stunden.
⑤Warten Sie 10 Minuten.
⑥Wiederholen Sie die Schritte 2 bis 5 3 Mal.
⑦ Laden Sie mit 1,0-fachem C-Strom auf, die Ladezeit beträgt 0,7 Stunden, dann laden Sie mit 2,3 V konstanter Spannung auf, der Abschaltstrom beträgt 0,45 A. Führen Sie einen Selbstentladungstest an den gebildeten Zellen durch. Verwenden Sie die Methode zum Testen der statischen Spannung und testen Sie die Spannung mindestens zwei Monate lang. Nachdem die Zellen 24 Stunden lang bei Raumtemperatur (25 ± 5) Grad stehen gelassen wurden, wird die Leerlaufspannung getestet und aufgezeichnet. Anschließend wurden die Zellen einen Monat und zwei Monate lang bei Raumtemperatur stehen gelassen, und dann wurde die Leerlaufspannung erneut getestet und aufgezeichnet.
Resultate und Diskussion
1. Vergleich der Batteriespannung vor der Formierung
Abbildung 1 zeigt die Änderungen der Batteriespannung während des Ladens mit 1 A und 2 A und nach dem Stoppen des Ladevorgangs. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass eine spannungsfreie Batterie ungefähr als durch interne Grate verursachter Kurzschluss angesehen werden kann. Die Batterie kann innerhalb von 1 Minute einem Stromtest von weniger als 2 A standhalten. Wenn der Ladestrom 1 A und 2 A beträgt, erreicht die Spannung aufgrund des durch interne Grate verursachten Kurzschlusses einen stabilen Wert und ändert sich nicht mehr. Wenn der Ladevorgang gestoppt wird, kehrt die Spannung schnell auf 0 zurück.
Erhöhen Sie den Ladestrom weiter, ändern Sie den Ladestrom auf 3 A und stellen Sie die Ladezeit jeweils auf 5 s, 10 s und 25 s ein. Die Testkurve zum Laden der Batterie ist in Abbildung 2 dargestellt.
Gemäß der Beobachtung in Abbildung 2 ist die Spannungsänderung der Batterie bei einem Ladestrom von 3 A ähnlich wie bei einer Aufladung mit 1 A und 2 A bei einer Ladezeit von 5 Sekunden bzw. 10 Sekunden. Mit zunehmender Ladezeit steigt die Spannung langsam an, wenn die Ladezeit 10 Sekunden überschreitet. Wenn die Ladezeit 20 Sekunden erreicht, steigt die Spannung schnell an. Nach dem Ende des Ladevorgangs fällt die Spannung langsam ab und das vorherige Nullspannungsphänomen tritt innerhalb kurzer Zeit nicht mehr auf.
Anhand der Geschwindigkeit der Spannungsänderung während des Ladevorgangs kann man davon ausgehen, dass die Grate im Inneren der Batterie aufgrund der beim Laden erzeugten Wärme thermisch verschmolzen sind. Bevor die Grate verschmelzen, zeigt die Spannung innerhalb von 10 bis 20 Sekunden nach Beginn des Ladevorgangs einen langsam ansteigenden Zustand.
Nach 20 Sekunden schmilzt der Grat und die Batteriespannung steigt schnell an. Nach dem Stoppen des Ladevorgangs nimmt die Batteriespannung langsam ab. Es ist anzumerken, dass nach dem Schmilzt des Grates immer noch Metallverunreinigungen in der Batterie verbleiben, was zu einer schnelleren Selbstentladung als bei normalen Batterien führt. Daher ist es nach der Normalisierung der Batterie erforderlich, ihre Selbstentladungsrate zu testen.
2. Vergleich der Selbstentladung der Batterie nach der Formierung
Die für das Experiment ausgewählte Batterie wurde gemäß dem oben beschriebenen Formierungsprozess geladen und entladen. Nach Schritt ⑦ betrug der Ladezustand (SOC) der Batterie ungefähr 80 %. Der Selbstentladungstest der Batterie wurde bei Raumtemperatur durchgeführt und mit Batterien verglichen, die Verunreinigungen aus derselben Charge enthielten. Die Testdaten sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die durch Grate verursachte Selbstentladung der Batterie tatsächlich vorhanden ist und sich auf die Ladungserhaltungsfähigkeit der Batterie auswirkt. Die Analyse der Ursachen für Selbstentladungsanomalien durch Ladestrom kann intuitiv die abnormale Situation von Elektrodengraten während des Herstellungsprozesses widerspiegeln.
Dies zeigt, dass es notwendig ist, die Anforderungen an die Prozesskontrolle während des Produktionsprozesses weiter zu stärken und den Fräser rechtzeitig zu warten, um die Batterieleistung sicherzustellen und Sicherheitsrisiken zu verringern. Nachdem der Grat geblasen wurde, befinden sich in der Elektrode immer noch Metallverunreinigungen.
Aus den Selbstentladungsdaten nach Messung der Batteriekapazität kann geschlossen werden, dass die Spannung einer normalen Batterie nach einem Monat Lagerung bei Raumtemperatur um etwa 7 mV abfällt; nach zwei Monaten sinkt die Spannung um etwa 10 mV. Dies zeigt, dass die Selbstentladungsrate von Batterien mit übermäßigen Graten höher ist als die von normalen Batterien. Unter Berücksichtigung der Spannung vor der Formierung und der Selbstentladungsdatenanalyse nach der Kapazitätsteilung kann geschlossen werden, dass übermäßige Grate zu einer abnormalen Ladungserhaltungsleistung der Batterie führen. Die auf den Batterieelektroden vorhandenen Grate verschwinden nicht vollständig und beeinträchtigen langfristig die Leistung der Batterie.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Grate einen negativen Einfluss auf die Leistung der Batterie haben. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Gratbildung während des Herstellungsprozesses zu reduzieren und so die Leistung und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten.
Abschluss
Im Batterieherstellungsprozess ist die Kontrolle der Größe von Elektrodengraten ein wichtiger Parameter. Wenn ein Grat einen Kurzschluss verursacht, wird die Spannung der Batterie nach dem Befüllen 0. Durch Laden einer durch einen Grat kurzgeschlossenen Batterie mit geringem Strom kann eine stabile Spannung beobachtet werden. Wenn der Strom den Sicherungswert des Grates erreicht, befinden sich im Inneren der Batterie immer noch Metallverunreinigungen, die die Selbstentladung der Batterie weiterhin beeinträchtigen, was zu einer höheren Selbstentladungsrate als bei normalen Batterien führt. Mit dieser Methode können durch Grate verursachte Batteriekurzschlüsse während der Batterieherstellung identifiziert werden. Durch Beobachten von Spannungsänderungen können wir die verstärkten Inspektionen von Schlitz-, Stanz- und Wickelgeräten während des Batterieherstellungsprozesses steuern, um die Produktion großer Mengen nicht qualifizierter Batterien zu vermeiden. Daher können durch Laden von durch Grate verursachten Kurzschlüssen von Batterien mit geringem Strom und Überwachen von Spannungsänderungen Probleme im Batterieherstellungsprozess effektiv identifiziert und relevante Prozesskontrollen gesteuert werden, um die Qualität und Leistung der Batterie sicherzustellen.
