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锂离子电池生产现场异物管控

科技   科学   2024-12-06 08:11   北京  
极片上的颗粒或微量金属残渣、隔膜上的微小缺陷、电芯在组装过程中引入的粉尘等，都会造成电芯内部微短路。

图1 金属异物导致电池内部短路的原理

金属异物造成电池内部短路的基本原理有两种过程，如图1所示。第一种情况，尺寸较大的金属颗粒直接刺穿隔膜，导致正负极之间短路，这是物理短路。第二种情况，当金属异物混入正极后，充电之后正极电位升高，高电位下金属异物发生溶解，通过电解液扩散，然后负极低电位下溶解的金属再在负极表面析出堆积，最终刺穿隔膜，形成短路，这是化学溶解短路。电池工厂现场最常见的金属异物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、不锈钢等。

电池制造现场容易发生异物混入电池产品的工艺包括电极浆料混入金属杂质；极片切割工序产生切割毛刺或金属碎屑,；卷绕工艺极片切断产生毛刺或电芯内部混入金属异物颗粒；极耳和壳体焊接产生金属屑等等，如图3和4所示。

图3  极片激光切割碎屑

图4 分切毛刺

关于金属异物和毛刺的管控标准，一般毛刺尺寸小于隔膜厚度的一半，但是有些厂家控制要求更加严格，毛刺不超出涂层，如下视频：
在过程检测中，注液前电池通过耐电压测试检出内部短路不合格品；X射线检出电芯内部的异物；老化工艺通过电池压降ΔV检出不合格品。


耐电压测试检出金属异物

绝缘耐电压测试一般采用安规仪，在电芯热压整形时测试，仪器给电芯施加一个电压，这个电压持续一段规定的时间，然后检测其电流是否保持在规定的范围内，判断电芯正负极内部有无短路。一般，施加电压如图5所示：

图5 绝缘耐电压测试示意图

①在一定时间t1内，对电芯从0开始加电压至U。
②电压U保持一段时间至t2。
③测试完成后，切断测试电压，并对电芯杂散电容放电。

在测试中，正负极极片由于相互靠近，仅仅15-30μm，裸电芯内部会形成一定的电容（杂散电容），由于电容量存在，测试电压必须由“零”开始，缓慢上升，以避免充电电流过大，电容量越大所需的缓升时间t1越长，一次所能增加的电压也越低。充电电流过大时，一定会引起测试器的误判，使测试的结果不正确。一旦被测电芯的杂散电容被充满，只会剩下实际的漏电电流。由于直流耐压测试会对被测电芯充电，所以在测试后，一定要对被测电芯放电。

隔膜都存在一定的耐电压强度，当加载电压过高时肯定能够击穿隔膜，形成漏电流。因此，首先电芯绝缘测试电压要低于击穿电压。如图6所示，当正负极之间不存在异物时，在测试电压下漏电流小于规定值，判定电芯合格。而如果正负极之间存在一定尺寸的异物，隔膜被挤压，正负极之间的间距减小，正负极之间击穿电压会下降，如果还加载相同的电压，漏电流可能超过设定的警报值。通过设定测试电压等参数，就可以统计分析判断电芯内部的异物尺寸，然后根据实际产品生产现状和品质要求，可以设定测试参数，制定品质判断标准。

图6 异物尺寸与耐电压测试示例（数值为假定值）

在测试中，主要的参数包括电压缓升时间t1，电压保持时间t2，加载电压U，以及报警漏电流。前面所述，t1和U与电芯杂散电容有关，电容量越大所需的缓升时间t1越长，加载电压U越低。而且U也与隔膜本身的耐电压强度有关，如果测试电芯内部存在异物，造成内部短路，隔膜被击穿，具体情况如图7所示。

图7 电芯耐电压测试内部异物短路

因此，裸电芯的绝缘耐电压测试是产品过程检验的一个重要步骤，可以检测出不合格产品，提高最终电池产品的安全系数。实际测试需要考虑参数设定，判定标准等众多因素。

老化工艺检出金属异物

金属异物在电芯内部会导致内部微短路，电池自放电，电压下降。一般老化程序为：三元材料等电池充电到4.0-4.2V，常温存储 7d，高温45℃存储7d，检测电池老化前后的电压差剔除不合格品。将电池在高温或常温状态下开路搁置 7 天或 28 天，通过对电池放电至截止电压测量其放电电量来判断其自放电性能，如图2所示。该方法需要对电池进行长达一个月的搁置检测，时间周期长，影响因素大，并且长时间占用了较多的设备和场地，测试过程是对人力和财力的大量浪费。

图2 老化不合格品检出

总之，电池生产异物管控非常重要，车间洁净度控制好坏可能直接影响电池安全性。


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我是锂想生活mikoWoo，分享锂电池极片机理与工艺，以及相关知识；并从零开始，做锂离子电池的工艺参数-微结构特征-电池性能的计算机模拟。顺便记录生活和工作点滴：忆我此生，记她今世，那些与女儿一起成长的趣事。
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