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。
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原文标题:【捷创嘉•总工札记】金属污染物对电芯安全的影响
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