En este artículo se analizan las causas de la tensión cero. Nos centramos en el fenómeno de la tensión cero en la batería causado por las rebabas de los electrodos. Al identificar la causa del cortocircuito, pretendemos resolver con precisión el problema y comprender mejor la importancia de controlar las rebabas de los electrodos durante la producción.
Experimento
1. Preparación de la batería
Este experimento utiliza material de manganato de litio, níquel y cobalto (NCM111) como material activo positivo. Mezcle el material activo positivo, el negro de carbón SP, el aglutinante PVDF y el disolvente NMP en una proporción de masa de 66:2:2:30 para hacer una suspensión. La suspensión se recubre con una lámina de aluminio recubierta de carbono de 15 μm de espesor, y la cantidad de recubrimiento en un lado es de 270 g/m2. Coloque el electrodo positivo en un horno a una temperatura de (120±3) grados para secar durante 24 horas, y luego se lleva a cabo el proceso de calandrado para hacer que la densidad compactada del electrodo sea de 3,28 g/cm3. El material activo negativo utiliza material de titanato de litio Li4Ti5O12. Mezcle el material activo negativo, el agente conductor de negro de carbón SP, el aglutinante PVDF y el disolvente NMP de acuerdo con la proporción de masa de 52:2:2:44 para hacer una suspensión. La suspensión del ánodo se recubre con una lámina de aluminio recubierta de carbono de 15 μm de espesor, y la cantidad de recubrimiento en un lado es de 214 g/m2. Coloque el electrodo negativo en un horno a una temperatura de (110 ± 3) grados para secar durante 24 horas, y luego realice un proceso de laminado para hacer que la densidad compactada de la pieza del electrodo sea de 1,85 g/cm3. El electrodo seco se corta en trozos con un ancho de (136,0 ± 1,0) mm, y las rebabas del electrodo no deben superar los 12 μm. El electrolito utiliza 1 mol/L de LiPF6/EC+EMC+DMC (relación de volumen 1:1:1). El separador es un separador poroso de polietileno (PE) de 20 μm de espesor. Los materiales anteriores se ensamblan en 66160 celdas con una capacidad de diseño de 45 Ah. Después del bobinado y montaje, se soldó y selló la cubierta superior de la carcasa de aluminio, y las celdas experimentales se colocaron en un horno a una temperatura de (85 ± 3) grados para secarlas durante 24 horas.
Después del secado, se llenaron las celdas de la batería y se añadió electrolito a la misma una cantidad de 200 g. Después de llenarlas con electrolito, se dejaron reposar las celdas a temperatura ambiente durante 72 horas. Después del reposo, se probaron todas las celdas experimentales para determinar el voltaje de circuito abierto (OCV) y se registraron la resistencia interna y el voltaje de la batería.
2. Prueba de carga
Al realizar un análisis de voltaje y resistencia interna, utilice un comprobador de resistencia interna de CA para realizar la prueba. Utilice el sistema de prueba de rendimiento de batería de alta precisión de 5 V-50A para probar el rendimiento de carga de la batería. En el caso de las celdas que se dejaron en reposo después del llenado, al realizar una prueba de voltaje, primero haga un cortocircuito en la celda para reducir su voltaje a 0, que es una celda de voltaje cero.
A continuación, realice una prueba de carga en la celda de voltaje cero. Cuando la temperatura ambiente es de (25 ± 3) grados, se utilizan diferentes corrientes (como 1 A, 2 A y 3 A) para la carga. Los experimentos se llevaron a cabo en el orden de corriente de pequeña a grande y tiempo de corto a largo. El tiempo de carga se estableció en 5 segundos, 10 segundos y 25 segundos respectivamente. Observe los cambios en el voltaje de la batería después de cada tiempo de carga.
3. Prueba de autodescarga
Utilice un comprobador bidimensional para el análisis de rebabas de electrodos. Utilice un comprobador de resistencia interna de CA para el análisis de voltaje y resistencia interna. Utilice un sistema de prueba de rendimiento de batería de alta precisión de 5 V-50A para probar el rendimiento eléctrico. Utilice una caja de alta y baja temperatura para controlar la temperatura de las celdas. Después de que se carguen las celdas de voltaje cero antes de la formación, las rebabas se fusionan y ya no aparece el voltaje cero. Pruebe el proceso de formación normal de esta batería. El proceso de formación es el siguiente:
①Después de que la temperatura de la caja de alta temperatura alcance los 120 grados, espere 120 minutos.
②Cargue con una corriente de 1,0 veces C hasta el voltaje de corte de 2,8 V y luego cambie a carga de voltaje constante. El tiempo de corte de carga es de 2 horas.
③Espere 10 minutos.
④Descargue con una corriente de 1,5 V con una corriente de 1,5 V y luego cambie a descarga con tensión constante. El tiempo de corte de descarga es de 2 horas.
⑤Espere 10 minutos.
⑥Repita los pasos 2 a 5 3 veces.
⑦Cargue con una corriente de 1,0 veces C, el tiempo de carga es de 0,7 horas, luego cargue con un voltaje constante de 2,3 V, la corriente de corte es de 0,45 A. Realice una prueba de autodescarga en las celdas formadas. Utilice el método de prueba de voltaje estático y pruebe el voltaje durante no menos de dos meses. Después de dejar las celdas a temperatura ambiente (25 ± 5) grados durante 24 horas, se prueba y registra el voltaje de circuito abierto. Posteriormente, las celdas continuaron a temperatura ambiente durante un mes y dos meses, y luego se probó y registró nuevamente el voltaje de circuito abierto.
Resultados y discusión
1. Comparación del voltaje de la batería antes de la formación
La figura 1 muestra los cambios de voltaje de la batería durante la carga de 1 A y 2 A y después de detener la carga. Se puede ver en la figura que una batería de voltaje cero puede considerarse aproximadamente como un cortocircuito causado por rebabas internas. La batería puede soportar una prueba de corriente de menos de 2 A en 1 minuto. Cuando la corriente de carga es de 1 A y 2 A, debido al cortocircuito causado por rebabas internas, el voltaje alcanza un valor estable y ya no cambia. Cuando se detiene la carga, el voltaje regresa rápidamente a 0.
Continúe aumentando la corriente de carga, cambie la corriente de carga a 3 A y configure el tiempo de carga en 5 s, 10 s y 25 s respectivamente. La curva de prueba de carga de la batería se muestra en la Figura 2.
Según la observación de la Figura 2, cuando la corriente de carga alcanza los 3 A, el cambio de voltaje de la batería es similar al de la carga de 1 A y 2 A con un tiempo de carga de 5 y 10 segundos. A medida que se prolonga el tiempo de carga, cuando el tiempo de carga supera los 10 segundos, el voltaje aumenta lentamente. Cuando el tiempo de carga alcanza los 20 segundos, el voltaje aumenta rápidamente. Después de que se detiene la carga, el voltaje cae lentamente y el fenómeno de voltaje cero anterior no aparece en un corto período de tiempo.
En función de la velocidad de cambio de voltaje durante la carga, se puede concluir que las rebabas dentro de la batería se han fusionado térmicamente debido al calor generado por la carga. Antes de que las rebabas se fusionen, el voltaje muestra una etapa de aumento lento entre 10 y 20 segundos después de que comienza la carga.
Después de 20 segundos, la rebaba se funde y el voltaje de la batería aumenta rápidamente. Después de detener la carga, el voltaje de la batería disminuye lentamente. Vale la pena señalar que después de que la rebaba se funde, las impurezas metálicas aún permanecen dentro de la batería, lo que provoca que la autodescarga sea más rápida que las baterías normales. Por lo tanto, después de normalizar la batería, es necesario probar su tasa de autodescarga.
2. Comparación de la autodescarga de la batería después de su formación
La batería seleccionada para el experimento se cargó y descargó de acuerdo con el proceso de formación anterior. Después del paso ⑦, el estado de carga (SOC) de la batería era de aproximadamente el 80 %. La prueba de autodescarga de la batería se realizó a temperatura ambiente y se comparó con baterías que contenían impurezas del mismo lote. Los datos de la prueba se muestran en la Tabla 1.
En la Tabla 1 se puede observar que la autodescarga de la batería causada por rebabas existe y tiene un impacto en la capacidad de retención de carga de la batería. El análisis de las causas de las anomalías de la autodescarga a través de la corriente de carga puede reflejar de manera intuitiva la situación anormal de las rebabas de los electrodos durante el proceso de fabricación.
Esto demuestra que es necesario reforzar aún más los requisitos de control de procesos durante el proceso de producción y realizar el mantenimiento de la cortadora de manera oportuna para garantizar el rendimiento de la batería y reducir los riesgos de seguridad. Después de que se elimina la rebaba, todavía quedan impurezas metálicas dentro del electrodo.
Según los datos de autodescarga después de medir la capacidad de la batería, se puede concluir que después de dejar una batería normal a temperatura ambiente durante un mes, el voltaje cae aproximadamente 7 mV; después de dos meses, el voltaje cae aproximadamente 10 mV. Esto muestra que la tasa de autodescarga de las baterías con rebabas excesivas es mayor que la de las baterías normales. Teniendo en cuenta el voltaje antes de la formación y el análisis de los datos de autodescarga después de la división de la capacidad, se puede concluir que las rebabas excesivas conducirán a un rendimiento anormal de retención de carga de la batería. Las rebabas presentes en los electrodos de la batería no desaparecerán por completo y afectarán el rendimiento de la batería a largo plazo.
En resumen, las rebabas tienen un impacto negativo en el rendimiento de la batería, por lo que se deben tomar medidas para reducir la formación de rebabas durante el proceso de fabricación para garantizar el rendimiento y la seguridad de la batería.
Conclusión
En el proceso de fabricación de baterías, controlar el tamaño de las rebabas de los electrodos es un parámetro clave. Cuando una rebaba provoca un cortocircuito, el voltaje de la batería se convertirá en 0 después del llenado. Al cargar una batería en cortocircuito causado por una rebaba con una pequeña corriente, se puede observar un voltaje estable. Cuando la corriente alcanza el valor de fusible de las rebabas, todavía hay impurezas metálicas dentro de la batería, que seguirán afectando la autodescarga de la batería, lo que dará como resultado una tasa de autodescarga más alta que las baterías normales. Este método se puede utilizar para identificar cortocircuitos de batería causados por rebabas durante la fabricación de la batería. Al observar los cambios de voltaje, podemos orientar el fortalecimiento de las inspecciones de los equipos de corte, troquelado y bobinado durante el proceso de producción de baterías para evitar la producción de grandes cantidades de baterías no calificadas. Por lo tanto, al cargar baterías en cortocircuito causadas por rebabas con baja corriente y monitorear los cambios de voltaje, se pueden identificar de manera efectiva los problemas en el proceso de fabricación de baterías y se pueden guiar los controles de proceso relevantes para garantizar la calidad y el rendimiento de la batería.
