¿Cómo detectar el cortocircuito causado por rebabas en los electrodos de la batería?

Este artículo analiza las causas del voltaje cero. Centrado en el fenómeno de tensión cero en la batería provocado por rebabas de electrodos. Al identificar la causa del cortocircuito, nuestro objetivo es resolver el problema con precisión 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 cobalto, níquel y litio (NCM111) como material activo positivo. Mezcle el material activo positivo, el negro de humo SP, el aglutinante de PVDF y el disolvente NMP en una proporción de masa de 66:2:2:30 para formar una suspensión. La suspensión se reviste sobre 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. Se coloca el electrodo positivo en un horno a una temperatura de (120±3)°C para que se seque durante 24 horas, y luego se realiza el proceso de calandrado para 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 humo SP, el aglutinante de PVDF y el disolvente NMP según la proporción de masa de 52:2:2:44 para formar una suspensión. La suspensión anódica se reviste sobre 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) °C para que se seque durante 24 horas y luego realice un proceso de laminado para 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 exceder 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 de enrollarlo y ensamblarlo, 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) °C para que se secaran durante 24 horas.

Después del secado, se llenan las celdas de la batería y la cantidad de electrolito es de 200 g. Después del llenado con electrolito, las células se dejaron reposar a temperatura ambiente durante 72 horas. Después del reposo, se probó el voltaje de circuito abierto (OCV) de todas las celdas experimentales y se registraron la resistencia interna y el voltaje de la batería.

2. Prueba de carga

Al realizar análisis de tensión y resistencia interna, utilice un probador de resistencia interna de CA para realizar pruebas. Utilice el sistema de prueba de rendimiento de batería de alta precisión 5V-50A para probar el rendimiento de carga de la batería. Para las celdas que se han dejado en reposo después del llenado, al realizar una prueba de voltaje, primero cortocircuite la celda para reducir su voltaje a 0, que es una celda de voltaje cero.

Luego realice una prueba de carga en la celda de voltaje cero. Cuando la temperatura ambiente es (25±3)℃, se utilizan diferentes corrientes (como 1A, 2A y 3A) para cargar. Los experimentos se realizaron en orden de corriente, de pequeña a grande, y de tiempo, de corto a largo. El tiempo de carga se fijó 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 probador bidimensional para el análisis de rebabas de electrodos. Utilice un probador de resistencia interna de CA para análisis de voltaje y resistencia interna. Utilice un sistema de prueba de rendimiento de batería de alta precisión de 5V-50A para probar el rendimiento eléctrico. Utilice una caja de alta y baja temperatura para controlar la temperatura de las células. Después de cargar las celdas de voltaje cero antes de la formación, las rebabas se fusionan y el voltaje cero ya no aparece. 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 ℃, espere 120 minutos.

②Cargue con 1,0 veces corriente C hasta el voltaje de corte de 2,8 V, luego cambie a carga de voltaje constante. El tiempo límite de carga es de 2 horas.

③Espere 10 minutos.

④Descargue con corriente 1,0 veces C hasta el voltaje de corte de 1,5 V y luego cambie a descarga de voltaje constante. El tiempo límite de alta es de 2 horas.

⑤Espera 10 minutos.

⑥Repita los pasos 2 a 5 3 veces.

⑦Cargue con corriente 1,0 veces C, el tiempo de carga es de 0,7 horas, luego cargue con voltaje constante de 2,3 V, la corriente de corte es 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 al menos dos meses. Después de dejar las celdas a temperatura ambiente (25 ± 5) °C durante 24 horas, se prueba y registra el voltaje del circuito abierto. Posteriormente, las celdas continuaron a temperatura ambiente durante un mes y dos meses, y luego se probó y registró nuevamente el voltaje del circuito abierto.

Resultados y discusión

1. Comparación del voltaje de la batería antes de su formación.

La Figura 1 muestra los cambios de voltaje de la batería durante la carga de 1A y 2A y después de detener la carga. En la figura se puede ver que una batería sin voltaje 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 1A y 2A, debido al cortocircuito provocado por las rebabas internas, el voltaje alcanza un valor estable y ya no cambia. Cuando se detiene la carga, el voltaje vuelve rápidamente a 0.

Continúe aumentando la corriente de carga, cambie la corriente de carga a 3 A y establezca 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 segundos 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.

Con base en la velocidad del cambio de voltaje durante la carga, se puede concluir que las rebabas dentro de la batería se han fundido térmicamente debido al calor generado durante la carga. Antes de que se fundan las rebabas, el voltaje muestra una etapa de aumento lento dentro de 10 a 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 se fusionan las rebabas, las impurezas metálicas aún permanecen dentro de la batería, lo que provoca una autodescarga 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 la formación.

La batería seleccionada para el experimento se cargó y descargó según el proceso de formación anterior. Después del paso ⑦, el estado de carga (SOC) de la batería era aproximadamente del 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.

Puede verse en la Tabla 1 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 intuitivamente la situación anormal de las rebabas de los electrodos durante el proceso de fabricación.

Esto muestra que es necesario fortalecer aún más los requisitos de control del proceso durante el proceso de producción y mantener la cortadora de manera oportuna para garantizar el rendimiento de la batería y reducir los riesgos de seguridad. Después de que se sopla 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 excesivas rebabas 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 capacidad, se puede concluir que el exceso de rebabas provocará 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 es necesario 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 será 0 después del llenado. Al cargar una batería en cortocircuito causada por una rebaba con una pequeña corriente, se puede observar un voltaje estable. Cuando la corriente alcanza el valor del fusible de rebabas, todavía quedan impurezas metálicas dentro de la batería, lo que seguirá afectando la autodescarga de la batería, lo que dará como resultado una tasa de autodescarga más alta que la de las baterías normales. Este método se puede utilizar para identificar cortocircuitos de la batería causados ​​por rebabas durante la fabricación de la batería. Al observar los cambios de voltaje, podemos guiar 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 la batería y se pueden guiar los controles de proceso relevantes para garantizar la calidad y el rendimiento de la batería.