Análisis de las causas de la baja capacidad de las células

La capacidad baja de la celda se determina intuitivamente comparando la capacidad de descarga posterior a la formación con el valor de diseño. Si la capacidad medida es inferior a la especificación de diseño, el primer paso es verificar si los parámetros del proceso de formación están correctamente configurados (p. ej., corriente de descarga, duración de la carga, voltaje de corte y temperatura de formación).
â' Si se confirma que los pasos de formación son correctos, vuelva a probar la celda utilizando equipos o canales alternativos para descartar posibles problemas con el sistema de formación.
â'¡ Si la capacidad permanece normal después de reemplazar el equipo, el equipo de formación original está defectuoso.
â'¢ Si el problema de baja capacidad persiste después de volver a realizar la prueba, se confirma que la celda presenta una capacidad realmente baja.
Tras confirmar la baja capacidad, se requiere un análisis más profundo para determinar su frecuencia y gravedad. Antes de realizar un análisis sistemático de la causa raíz, desmonte e inspeccione las celdas de baja capacidad completamente cargadas. Si no se encuentran anomalías, las posibles causas podrían incluir un peso insuficiente del recubrimiento del electrodo positivo o un margen de diseño inadecuado. Si se detectan defectos, se deben considerar problemas de diseño o fabricación.

Análisis de causa raíz: perspectivas de diseño y fabricación

I. Factores relacionados con el diseño

1. Compatibilidad de materiales

La compatibilidad entre el electrodo negativo y el electrolito tiene un impacto crítico en la capacidad. En el caso de materiales de ánodo o electrolitos de nueva introducción, la observación de un recubrimiento de litio repetido durante las pruebas indica claramente una discrepancia entre los materiales. Los posibles mecanismos de discrepancia incluyen:

â' Capa de SEI mal formada, demasiado gruesa o inestable durante la formación.

â'¡ PC (carbonato de propileno) en el electrolito provocando exfoliación del grafito.

• La densidad del área del electrodo/densidad de compactación diseñada es excesiva, lo que dificulta la capacidad de carga/descarga a alta velocidad.

2. Margen de diseño de capacidad

Capacidad específica del electrodo positivo: El diseño debe considerar las tolerancias del recubrimiento, los errores del equipo de formación y la pérdida de capacidad por la adhesión de las lengüetas. Para materiales nuevos, evalúe con precisión la capacidad específica alcanzable en el sistema dado (emparejamiento ánodo/electrolito). Tenga en cuenta que la capacidad específica varía con la velocidad de formación, la corriente de corte de carga, las tasas de ciclo y la formulación del electrolito. Sobreestimar la capacidad del electrodo positivo resulta en valores de diseño inflados y celdas reales de baja capacidad.

Exceso de electrodo negativo y valor CB: la carga excesiva del electrodo negativo inicialmente mejora la utilización del electrodo positivo en un 1-2%, pero más allá de los niveles óptimos, el consumo excesivo e irreversible de litio durante la formación de SEI reduce la capacidad de descarga del primer ciclo.

3. Relleno y retención de electrolitos

Un llenado insuficiente del electrolito reduce la eficiencia de la intercalación/desintercalación de iones de litio. Las celdas con una retención de electrolito insuficiente presentan electrodos secos y un recubrimiento de litio delgado en la superficie del ánodo, lo que contribuye directamente a la pérdida de capacidad.

II. Factores relacionados con la fabricación

1. Desviación de la densidad del área de recubrimiento

Un recubrimiento insuficiente en los electrodos positivos/negativos causa directamente una baja capacidad. En el caso de los electrodos positivos, confirme el peso del recubrimiento mediante un análisis gravimétrico posterior al secado. Un espesor de recubrimiento no uniforme («recubrimiento yin-yang»), en particular la subcapa del electrodo negativo, es otro factor que contribuye. Un recubrimiento excesivo en los electrodos positivos puede reducir la capacidad específica, pero a menudo aumenta la capacidad total.

2. Sobrecompactación durante el calandrado

La sobrecompactación daña la estructura del material activo, como lo demuestran las superficies brillantes de los electrodos. En los cátodos, esto altera la desintercalación del litio; en los ánodos, induce el recubrimiento superficial de litio y la pérdida de capacidad.

3. Tolerancias de montaje

Una alineación deficiente de los electrodos, arrugas en los separadores o microcortocircuitos internos aumentan la impedancia local y reducen la capacidad. Los separadores arrugados provocan una intercalación incompleta del litio (apariencia de ánodo no dorado) en las regiones afectadas.

4. Control del contenido de humedad

Los niveles elevados de humedad (de electrodos, electrolitos, punto de rocío inadecuado de la guantera o procesos de desgasificación) desencadenan reacciones secundarias y pérdida de capacidad.

5. Controles ambientales

La alta humedad acelera las reacciones de hidrólisis, mientras que las bajas temperaturas dificultan la difusión de iones de litio, lo que reduce la capacidad. Las desviaciones de la temperatura de formación también afectan la precisión de la medición de la capacidad.

6. Otros factores

Contaminación extraña: Las impurezas metálicas/magnéticas aumentan la autodescarga, lo que genera una aparente baja capacidad de postformación.

Almacenamiento previo a la formación: el almacenamiento prolongado a altas temperaturas y humedades degrada los electrodos y electrolitos, lo que provoca pérdida de capacidad.

• Conclusión

Al investigar sistemáticamente estos factores (desde la compatibilidad de los materiales y los márgenes de diseño hasta los controles del proceso y las condiciones ambientales), se puede identificar y abordar eficazmente la causa raíz de la baja capacidad.

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