本文作者分析零電壓的產(chǎn)生原因，重點(diǎn)分析極片毛刺導(dǎo)致電池零電壓的現(xiàn)象，以準(zhǔn)確找到短路的原因，精準(zhǔn)解決此問題，更好地理解生產(chǎn)過程中極片毛刺管控的重要性。
1、 實(shí)驗(yàn)
1.1 電池制備
實(shí)驗(yàn)電池以鎳鈷錳酸鋰材料（NCM111）作為正極活性物質(zhì)。將正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑SP 炭黑、黏結(jié)劑聚偏氟乙烯PVDF和溶劑NMP按照質(zhì)量比66∶2∶2∶30攪拌，制成漿料，涂覆在15μm厚的涂碳鋁箔上，單面涂覆量為270g/m2。將正極極片放置在溫度(120±3)℃的烤箱中干燥24h，輥壓后,極片的壓實(shí)密度為3.28g/cm3。
以鈦酸鋰材料Li4Ti5O12作為負(fù)極活性物質(zhì)。將負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑SP炭黑、黏結(jié)劑PVDF和溶劑NMP按照質(zhì)量比52∶2∶2∶44攪拌，制成漿料，涂覆在15μm厚的涂碳鋁箔上，單面涂覆量為214g/m2。將負(fù)極極片放置在溫度(110±3)℃的烤箱中干燥24h，輥壓后，極片的壓實(shí)密度為1.85g/cm3。干燥后的極片經(jīng)分切后，極片寬度（136.0±1.0）mm，極片毛刺不超過12μm。
以1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC（體積比1∶1∶1）為電解液，20μm厚的聚乙烯(PE)多孔隔膜為隔膜，制備66160型電池，容量設(shè)計(jì)為45Ah。卷繞組裝后，將鋁殼頂蓋焊封，將實(shí)驗(yàn)電池放置在溫度(85±3)℃的烤箱中，干燥24h，再向電芯注液，注液量均為200g。注液后的電池在常溫下靜置72h，靜置結(jié)束后，對(duì)所有實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行開路電壓(OCV)測(cè)試,記錄電池內(nèi)阻和電壓。
1.2 充電測(cè)試
用交流內(nèi)阻測(cè)試儀進(jìn)行內(nèi)阻和電壓分析。用5V-50A高精度電池性能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行充電性能測(cè)試。對(duì)注液后靜置結(jié)束的電池進(jìn)行電壓測(cè)試時(shí),短路電池的電壓為0，即為零電壓電池。對(duì)零電壓電池進(jìn)行充電測(cè)試。在環(huán)境溫度(25±3)℃下，采用1A、2A和3A等不同電流充電,充電結(jié)束后,觀察電池電壓的變化情況。按照電流從小到大、時(shí)間由短到長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),充電時(shí)間分別設(shè)置為5s、10s、25s。
1.3 自放電測(cè)試
采用二次元測(cè)試儀進(jìn)行極片毛刺分析。用交流內(nèi)阻測(cè)試儀進(jìn)行內(nèi)阻和電壓分析。用5V-50A高精度電池性能檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試電性能。用高溫箱控制電池溫度。
化成前的零電壓電池，充電后，毛刺熔斷，零電壓不再出現(xiàn)。對(duì)該電池進(jìn)行正常化成流程測(cè)試，化成工藝如下：①高溫箱溫度達(dá)到120℃后，擱置120min；②1.0C恒流充電至截止電壓2.8V后。轉(zhuǎn)恒壓充電,充電截止時(shí)間2h；③擱置10min；④1.0C恒流放電至截止電壓1.5V后，轉(zhuǎn)恒壓放電，放電截止時(shí)間2h；⑤擱置10min；⑥重復(fù)②到⑤步驟3次；⑦1.0C恒流充電，充電時(shí)間0.7h，再以2.3V恒壓充電，截止電流 0.45A。對(duì)化成后的電池進(jìn)行自放電測(cè)試。采用測(cè)試靜態(tài)電壓的方法，測(cè)試電壓時(shí)長(zhǎng)不少于兩個(gè)月。電池在常溫(25±5)℃下靜置24h后，進(jìn)行開路電壓測(cè)試并記錄。電池繼續(xù)在常溫下靜置，一個(gè)月、兩個(gè)月后，再次進(jìn)行開路電壓測(cè)試并記錄。
2、 結(jié)果與討論
2.1 化成前電池電壓對(duì)比
1A、2A充電過程中及停止充電后的電池電壓見圖1。從圖1可知，零電壓電池可近似看作內(nèi)部存在毛刺短路。該電池可承受1min內(nèi)2A以下電流的測(cè)試。當(dāng)充電電流為1A、2A時(shí)，由于內(nèi)部存在毛刺導(dǎo)致的短路，電壓達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后不再變化；當(dāng)停止充電后，電壓快速恢復(fù)到0。
繼續(xù)增大充電電流,將充電電流改為3A，充電時(shí)間分別設(shè)置為5s、10s、25s，電池的充電測(cè)試曲線見圖2。
從圖2可知，當(dāng)充電電流達(dá)到3A時(shí)，電池在5s和10s充電時(shí)間下，電壓狀態(tài)與1A、2A充電類似。繼續(xù)延長(zhǎng)充電時(shí)間，當(dāng)充電時(shí)間超過10s后，電壓緩慢上升；當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到20s后，電壓快速上升，充電停止后，電壓緩慢下降，短時(shí)間內(nèi)沒有出現(xiàn)之前的零電壓現(xiàn)象。由充電過程中電壓變化的速度可知，此時(shí)，電池內(nèi)部的毛刺已因充電產(chǎn)生的熱量發(fā)生了熱熔斷。毛刺熔斷之前，在充電開始后的10~20s內(nèi)，電壓出現(xiàn)一個(gè)緩慢上升的階段。20s后，毛刺熔斷，此時(shí)電池電壓出現(xiàn)快速上升。停止充電后，電池電壓緩慢降低。毛刺熔斷后，金屬雜質(zhì)仍然殘留在電池內(nèi)部，導(dǎo)致自放電快于正常電池。對(duì)該電池進(jìn)行正?；珊螅瑴y(cè)試自放電速度。
2.2 化成后電池自放電對(duì)比
實(shí)驗(yàn)選取的電池按照1.3節(jié)化成工藝進(jìn)行充放電，步驟⑦結(jié)束后，電池荷電狀態(tài)(SOC)約為80%。在常溫下對(duì)電池進(jìn)行自放電測(cè)試，并選取正常電池和同批包含雜質(zhì)電池進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。
從表1可知，毛刺導(dǎo)致的電池自放電現(xiàn)象確實(shí)存在，影響了電池的荷電保持能力。采用充電電流分析自放電異常的原因，可直觀地反映出制造過程中極片毛刺的異常狀況，說明在生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)工藝控制要求，及時(shí)維護(hù)刀具,保證電池的性能，減少安全隱患。毛刺熔斷后，極片內(nèi)部仍存在金屬雜質(zhì)。測(cè)量電池分容后的自放電數(shù)據(jù)可知，正常電池常溫下靜置一個(gè)月后，電壓降低約7mV，兩個(gè)月后，電壓降低約10mV，說明毛刺過大電池的自放電率大于正常電池。結(jié)合化成前的電壓和分容后的自放電數(shù)據(jù)分析可知，毛刺過大，將導(dǎo)致電池荷電保持性能出現(xiàn)異常。電池極片存在的毛刺不會(huì)完全消失，將長(zhǎng)期影響電池的性能。
3、 結(jié)論
電池制造過程中，控制極片毛刺大小是一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。毛刺導(dǎo)致短路后，電池在注液后的電壓為0。對(duì)毛刺引發(fā)的短路電池進(jìn)行小電流充電，會(huì)出現(xiàn)電壓恒定不變的現(xiàn)象，當(dāng)電流達(dá)到毛刺熔斷值后，電池內(nèi)部存在金屬雜質(zhì)，會(huì)繼續(xù)影響電池的自放電，自放電率大于正常電池。該方法可以識(shí)別電池制造過程中毛刺引發(fā)的電池短路，從而指導(dǎo)在電池生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)對(duì)分切、模切、卷繞設(shè)備進(jìn)行排查，避免大批量不合格電池的產(chǎn)生。
文獻(xiàn)參考：韓任杰.極片毛刺導(dǎo)致電池短路的檢測(cè)方法[J].電池,2023,53(5):538-540
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
