В этой статье анализируются причины нулевого напряжения. Основное внимание уделяется явлению нулевого напряжения в аккумуляторе, вызванному заусенцами электродов. Выявляя причину короткого замыкания, мы стремимся точно решить проблему и лучше понять важность контроля заусенцев электродов во время производства.
Эксперимент
1. Подготовка аккумулятора
В этом эксперименте в качестве положительного активного материала используется материал литий-никеля-кобальт-манганата (NCM111). Смешайте положительный активный материал, сажу SP, связующее вещество PVDF и растворитель NMP в массовом соотношении 66:2:2:30, чтобы сделать суспензию. Суспензию наносят на алюминиевую фольгу с углеродным покрытием толщиной 15 мкм, а количество покрытия с одной стороны составляет 270 г/м2. Положительный электрод помещают в печь при температуре (120±3) градусов для сушки в течение 24 часов, а затем проводят процесс каландрирования, чтобы плотность уплотненного электрода составила 3,28 г/см3. Отрицательный активный материал использует титанат лития Li4Ti5O12. Смешайте отрицательный активный материал, проводящий агент SP-сажи, связующее вещество PVDF и растворитель NMP в массовом соотношении 52:2:2:44, чтобы сделать суспензию. Анодная суспензия наносится на алюминиевую фольгу с углеродным покрытием толщиной 15 мкм, а количество покрытия с одной стороны составляет 214 г/м2. Поместите отрицательный электрод в печь при температуре (110±3) градусов для сушки в течение 24 часов, а затем выполните процесс прокатки, чтобы сделать плотность уплотненного электродного куска 1,85 г/см3. Высушенный электрод разрезается на куски шириной (136,0±1,0) мм, а заусенцы электрода не должны превышать 12 мкм. В качестве электролита используется 1 моль/л LiPF6/EC+EMC+DMC (объемное соотношение 1:1:1). Сепаратор представляет собой пористый сепаратор из полиэтилена (PE) толщиной 20 мкм. Вышеуказанные материалы собраны в 66160 ячеек с проектной емкостью 45 А·ч. После намотки и сборки верхняя крышка алюминиевого корпуса была сварена и герметизирована, а экспериментальные ячейки были помещены в печь при температуре (85±3) градуса для сушки на 24 часа.
После сушки, заполнение ячеек аккумулятора, а количество электролита составляет 200 г. После заполнения электролитом ячейки были оставлены стоять при комнатной температуре в течение 72 часов. После выстаивания все экспериментальные ячейки были проверены на напряжение холостого хода (OCV), а также были записаны внутреннее сопротивление и напряжение аккумулятора.
2. Тест зарядки
При выполнении анализа внутреннего сопротивления и напряжения используйте тестер внутреннего сопротивления переменного тока для тестирования. Используйте высокоточную систему тестирования производительности аккумулятора 5V-50A для проверки производительности заряда аккумулятора. Для ячеек, которые остались стоять после заполнения, при выполнении теста напряжения сначала закоротите ячейку, чтобы снизить ее напряжение до 0, что является ячейкой с нулевым напряжением.
Затем выполните зарядный тест на ячейке с нулевым напряжением. Когда температура окружающей среды составляет (25±3) градуса, для зарядки используются различные токи (например, 1А, 2А и 3А). Эксперименты проводились в порядке тока от малого к большому и времени от короткого к длинному. Время зарядки было установлено на 5 секунд, 10 секунд и 25 секунд соответственно. Наблюдайте за изменениями напряжения батареи после каждого времени зарядки.
3.Испытание на саморазряд
Используйте двухмерный тестер для анализа заусенцев электродов. Используйте тестер внутреннего сопротивления переменного тока для анализа внутреннего сопротивления и напряжения. Используйте высокоточную систему тестирования производительности аккумулятора 5V-50A для проверки электрических характеристик. Используйте высоко- и низкотемпературный бокс для контроля температуры ячеек. После того, как ячейки нулевого напряжения перед формированием заряжены, заусенцы сгорают, и нулевое напряжение больше не появляется. Проверьте нормальный процесс формирования этой батареи. Процесс формирования выглядит следующим образом:
①После того, как температура в высокотемпературном ящике достигнет 120 градусов, подождите 120 минут.
②Заряжайте током 1.0 раз C до напряжения отключения 2,8 В, затем переключитесь на зарядку постоянным напряжением. Время отключения зарядки составляет 2 часа.
③Подождите 10 минут.
④Разрядить током 1.0 раз C до напряжения отсечки 1,5 В, а затем переключиться на разряд при постоянном напряжении. Время отсечки разряда составляет 2 часа.
⑤Подождите 10 минут.
⑥Повторите шаги 2–5 3 раз.
⑦ Зарядите током 1.0 раз C, время зарядки 0.7 часов, затем зарядите постоянным напряжением 2.3 В, ток отсечки 0.45A. Проведите испытание на саморазряд на сформированных ячейках. Используйте метод тестирования статического напряжения и проверяйте напряжение не менее двух месяцев. После того, как ячейки оставляют стоять при комнатной температуре (25±5) градусов в течение 24 часов, проверяют и регистрируют напряжение холостого хода. Затем ячейки продолжают стоять при комнатной температуре в течение одного месяца и двух месяцев, а затем снова проверяют и регистрируют напряжение холостого хода.
Результаты и обсуждение
1. Сравнение напряжения аккумулятора перед формированием
На рисунке 1 показано изменение напряжения аккумулятора при зарядке током 1А и 2А и после прекращения зарядки. Из рисунка видно, что аккумулятор с нулевым напряжением можно приблизительно считать короткое замыкание, вызванное внутренними заусенцами. Аккумулятор может выдержать испытание током менее 2А в течение 1 минуты. При токе зарядки 1А и 2А из-за короткого замыкания, вызванного внутренними заусенцами, напряжение достигает стабильного значения и больше не меняется. При прекращении зарядки напряжение быстро возвращается к 0.
Продолжайте увеличивать ток зарядки, измените ток зарядки на 3 А и установите время зарядки на 5 с, 10 с и 25 с соответственно. Тестовая кривая зарядки аккумулятора показана на рисунке 2.
Согласно наблюдению на рисунке 2, когда ток зарядки достигает 3 А, изменение напряжения батареи аналогично изменению при зарядке 1 А и 2 А при времени зарядки 5 секунд и 10 секунд. По мере увеличения времени зарядки, когда время зарядки превышает 10 секунд, напряжение медленно растет. Когда время зарядки достигает 20 секунд, напряжение быстро растет. После прекращения зарядки напряжение медленно падает, и предыдущее явление нулевого напряжения не проявляется в течение короткого периода времени.
На основе скорости изменения напряжения во время зарядки можно сделать вывод, что заусенцы внутри аккумулятора термически расплавились из-за тепла, выделяемого при зарядке. Перед расплавлением заусенцев напряжение медленно растет в течение 10–20 секунд после начала зарядки.
Через 20 секунд заусенец расплавляется, и напряжение аккумулятора быстро растет. После прекращения зарядки напряжение аккумулятора медленно падает. Стоит отметить, что после расплавления заусенца внутри аккумулятора все еще остаются металлические примеси, вызывающие более быстрый саморазряд, чем у обычных аккумуляторов. Поэтому после нормализации аккумулятора необходимо проверить его скорость саморазряда.
2. Сравнение саморазряда аккумулятора после формирования
Аккумулятор, выбранный для эксперимента, заряжался и разряжался в соответствии с описанным выше процессом формирования. После шага ⑦ состояние заряда (SOC) аккумулятора составляло приблизительно 80%. Тест на саморазряд аккумулятора проводился при комнатной температуре и сравнивался с аккумуляторами, содержащими примеси из той же партии. Данные теста приведены в таблице 1.
Из Таблицы 1 видно, что саморазряд аккумулятора, вызванный заусенцами, существует и влияет на способность аккумулятора удерживать заряд. Анализ причин аномалий саморазряда через зарядный ток может интуитивно отражать аномальную ситуацию с заусенцами электродов в процессе производства.
Это показывает, что необходимо дополнительно ужесточить требования к контролю процесса в ходе производственного процесса и своевременно обслуживать резак, чтобы обеспечить производительность батареи и снизить риски безопасности. После того, как заусенец выдувается, внутри электрода все еще остаются металлические примеси.
Согласно данным саморазряда после измерения емкости аккумулятора, можно сделать вывод, что после того, как обычный аккумулятор остается при комнатной температуре в течение одного месяца, напряжение падает примерно на 7 мВ; через два месяца напряжение падает примерно на 10 мВ. Это показывает, что скорость саморазряда аккумуляторов с чрезмерными заусенцами больше, чем у обычных аккумуляторов. Принимая во внимание напряжение до формирования и анализ данных саморазряда после деления емкости, можно сделать вывод, что чрезмерные заусенцы приведут к ненормальной эффективности удержания заряда аккумулятора. Заусенцы, присутствующие на электродах аккумулятора, не исчезнут полностью и будут влиять на производительность аккумулятора в долгосрочной перспективе.
Подводя итог, можно сказать, что заусенцы отрицательно влияют на производительность аккумулятора, поэтому необходимо принять меры по снижению образования заусенцев в процессе производства, чтобы обеспечить производительность и безопасность аккумулятора.
Заключение
В процессе производства аккумуляторов контроль размера заусенцев электродов является ключевым параметром. Когда заусенец вызывает короткое замыкание, напряжение аккумулятора станет 0 после заполнения. Заряжая короткозамкнутую батарею, вызванную заусенцем, малым током, можно наблюдать стабильное напряжение. Когда ток достигает значения предохранителя заусенцев, внутри аккумулятора все еще остаются металлические примеси, которые будут продолжать влиять на саморазряд аккумулятора, что приводит к более высокой скорости саморазряда, чем у обычных аккумуляторов. Этот метод можно использовать для выявления коротких замыканий аккумулятора, вызванных заусенцами во время производства аккумуляторов. Наблюдая за изменениями напряжения, мы можем направлять усиление проверок оборудования для резки, высечки и намотки во время процесса производства аккумуляторов, чтобы избежать производства большого количества неквалифицированных аккумуляторов. Таким образом, заряжая короткозамкнутые батареи, вызванные заусенцами, малым током и отслеживая изменения напряжения, можно эффективно выявлять проблемы в процессе производства аккумуляторов и направлять соответствующие элементы управления процессом для обеспечения качества и производительности аккумуляторов.
