金属污染物对电芯安全存在哪方面的影响？

本文做了一个1.4Ah的多层软包样本做的实验,来验证金属污染物对电芯安全性的影响。

研究问题定义和实验验证

在使用过程中由于可能形成内部短路，锂离子电池中的金属颗粒可能会带来安全风险。不同的外部滥用实验与真实的金属颗粒残留可能存在差异性的问题，所以想要评估金属颗粒如何导致电池短路需要解决以下的问题：

1）短路的严重程度是否取决于电池内颗粒的位置？

2）短路的严重程度是否取决于颗粒的大小？（隔膜穿透与枝晶形成，引发的四种不同的内短路形式）

▲不同内短路形式下的产热功率和曲线

在不同的粒径下，如何检测到金属颗粒引起的影响，并在制造过程中拒绝电池？

3）内短路的严重程度是否随循环或存储而增加？

实验的方法

测试1:500-700μm铁颗粒（易于处理）

测试2：50-150μm铁颗粒（已知金属污染物最小尺寸）

检测方法和测试

● 电极堆组装后的Hi-Pot测试

这个实验有置信度的问题，较大颗粒是能给检测出来的，在阴极表面上才会让测试结果有差异

● 自放电（Delta-OCV）在老化过程中检查（50％SOC，35ºC下7天）

●循环寿命测试（100％DOD，1C/1C速率,电芯加压下做35ºC）

不同循环下的实验结果，在正极中心处最为明显，使得容量的衰减要更快一些。

▲较大尺寸的金属颗粒

▲较小尺寸的金属颗粒

● 储存测试（在35ºC加压下100％SOC）

采用自放电测试，在正极极片上的金属颗粒会产生较大的电压降，实际颗粒对于存储容量衰减差异并不大。

在经历过循环和存储以后，电芯的自放电速度还是要更快。

● 我们检出来自放电大的电芯，其金属污染物在阴极中心的比较明显，这个循环寿命在后面会明显加速跳下来

小电池实验结论：

● 即使是远大于隔膜厚度（20-28倍）的颗粒也不会产生内部短路，实验条件为加压下下循环

● 阳极的金属颗粒不会导致内部电池短路

● 只有初始位于阴极上的金属颗粒，如果尺寸和质量足够，会导致内部电池短路

● 在制造商的老化/存储工艺步骤中，可通过自放电和容量损失检测到大的金属颗粒

● 100μm以下的颗粒影响有限，而150μm附近的颗粒确实会导致电芯循环寿命失效

一些想法:在没有外部滥用的条件下，如果在制程过程中有金属颗粒带来结果是可控的，用循环和日历存储实验的结果还可以，电芯没有出现安全性的问题。还有就是自放电实验，还是我们检测新电芯最有效的手段，能够把后期跳水的电芯有效的检测出来。