Běžné typy vad pólových částí 4s lipo baterií a jejich vliv a detekce

V současnosti se při výrobě 4s lipo baterií používá stále více online detekčních technologií, aby bylo možné efektivně identifikovat výrobní defekty produktů, eliminovat vadné výrobky a včas zpětně informovat výrobní linku, aby bylo možné automaticky nebo ručně upravit výrobní proces a snížit míru defektů.
V následující části CNHL, výrobce lithium 4s lipo baterií, stručně představí novou metodu detekční technologie povrchových defektů lithium 4s lipo baterií - infračervenou termografickou technologii a vztah mezi těmito různými defekty a elektrochemickým výkonem. Podrobnou studii na toto téma provedli D. Mohanty et al.

1 Běžné defekty na povrchu pólových dílů lithium 4s lipo baterií

Obrázek 1 ukazuje běžný defekt na povrchu pólového dílu lithium 4s lipo baterie, vlevo je optický snímek a vpravo snímek pořízený termokamerou.

Obr. 1 Běžné defekty na povrchu pólového dílu: (a, b) Vyvýšené balíky/aglomeráty; (c, d) Výpadky/piny; (e, f) Kovová cizí tělesa; (g, h) Nerovnoměrné nanášení
(a, b) Vyvýšené balíky/aglomeráty, takové defekty mohou vzniknout, pokud je suspenze nerovnoměrně míchána nebo je nestabilní rychlost nanášení. Aglomerace pojiva a uhlíkového černého vodivého činidla vede k nízkému obsahu aktivní složky a lehkým pólovým dílům.
(c, d) Výpadky/piny, tyto defektní oblasti nejsou potaženy a obvykle vznikají vzduchovými bublinami v suspenzi. Snižují množství aktivní látky a vystavují sběrač proudu elektrolytu, čímž snižují elektrochemickou kapacitu.
(e, f) Kovové cizí těleso, kovové cizí těleso zavedené do suspenze nebo zařízení a prostředí, kovové cizí těleso je velmi škodlivé pro lithium 4s lipo baterii. Větší kovové částice přímo prorážejí separátor, což vede ke zkratu mezi kladným a záporným elektrodovým pólem, což je fyzický zkrat. Kromě toho, když je kovové cizí těleso smícháno s kladnou elektrodou, potenciál kladné elektrody po nabití vzroste, kov se rozpustí, difunduje elektrolytem a poté se vysráží na povrchu záporné elektrody, nakonec prorazí membránu a vytvoří zkrat, což je chemický zkrat rozpouštěním. Nejčastější kovová cizí tělesa na výrobní lince 4s lipo baterií jsou Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS atd.
(g, h) Nerovnoměrné potahování, například nedostatečné promíchání suspenze, při velké jemnosti částic se pravděpodobně objeví pruhy, což vede k nerovnoměrnému potahování, které ovlivní konzistenci kapacity 4s lipo baterie, a dokonce se může zdát, že potah chybí úplně. Tyto pruhy mají vliv jak na kapacitu, tak na bezpečnost.

2 Technologie detekce povrchových vad pólových kusů lithium 4s lipo baterií

Infračervené (IR) termální zobrazování se používá k detekci drobných vad na suchých pólových kusech, které by mohly poškodit výkon lithium 4s lipo baterií. Při online inspekci, pokud jsou zjištěny vady elektrod nebo kontaminanty, jsou označeny na pólových kusech, odstraněny v následných procesech a zpětně předány výrobní lince k včasné úpravě procesu za účelem odstranění vad. Infračervené záření je elektromagnetická vlna, která má stejnou povahu jako rádiové vlny a viditelné světlo. Použití speciálního elektronického zařízení k převodu teplotního rozložení povrchu objektu na obraz viditelný lidským okem a zobrazení teplotního rozložení povrchu objektu v různých barvách se nazývá infračervená termální zobrazovací technologie a toto elektronické zařízení se nazývá infračervený termokamera. Všechny objekty nad absolutní nulou (-273 °C) vyzařují infračervené záření.
Jak je znázorněno na obrázku 2, infračervený termokamera (IR kamera) používá infračervený detektor a optický zobrazovací objektiv k zachycení rozložení infračervené záření měřeného cílového objektu a jeho zobrazení na fotosenzitivním prvku infračerveného detektoru za účelem získání infračerveného termálního obrazu. Tento termální obraz odpovídá teplotnímu rozložení na povrchu objektu. Když jsou na povrchu objektu vady, dojde v této oblasti ke změně teploty. Proto lze tuto technologii použít také k detekci vad na povrchu objektu, zejména u některých vad, které nelze rozlišit optickými detekčními metodami. Při online testování suchého pólového kusu lithium 4s lipo baterie je nejprve pólový kus ozářen zábleskovou lampou, změní se povrchová teplota a poté je povrchová teplota detekována termokamerou. Termální rozložení je vizualizováno a obraz je zpracováván a analyzován v reálném čase, přičemž jsou včas detekovány a označeny povrchové vady. Výzkum D. Mohantyho instaloval termokameru na výstupu sušicí pece potahovače k detekci teplotního rozložení na povrchu pólového kusu.
Obrázek 2. Schéma vzhledu povrchu pólové části detekované termokamerou

Obrázek 3(a) je rozložení teploty povrchu nátěru katodové elektrody NMC detekované termokamerou, které obsahuje velmi malou vadu, kterou nelze rozlišit pouhým okem. Křivka rozložení teploty odpovídající úseku cesty je zobrazena v náhledu a na místě vady je teplotní špička.
V rámečku odpovídajícím obrázku na obr. 3(b) teplota lokálně stoupá, což odpovídá vadě na povrchu pólové části.
Obrázek 4 je graf rozložení povrchové teploty záporné pólové části ukazující existenci vad, kde vrcholy s vyšší teplotou odpovídají bublinám nebo aglomerátům a oblasti s nižší teplotou odpovídají pinholům nebo výpadkům.

Obrázek 3 Termografické rozložení teploty na povrchu kladné elektrody
Obrázek 4 Termografické rozložení teploty na povrchu záporné pólové části
Je vidět, že termografická detekce rozložení teploty je dobrá metoda pro detekci povrchových vad pólových částí a může být použita pro kontrolu kvality výroby pólových částí.

3 Vliv povrchových vad pólových částí lithium 4s lipo baterie na výkon 4s lipo baterie

(1) Vliv na kapacitu při zatížení a coulombickou účinnost 4s lipo baterie

Obrázek 5 je křivka vlivu aglomerátů a pinholů na kapacitu při zatížení a coulombickou účinnost 4s lipo baterie. Aglomeráty mohou skutečně zvýšit kapacitu 4s lipo baterie, ale sníží coulombickou účinnost. Pinhol snižuje kapacitu a coulombickou účinnost 4s lipo baterie a coulombická účinnost výrazně klesá při vysokých zatíženích.

Obr.5 Vliv pozitivních aglomerátů a pinholů na kapacitu při zatížení a coulombickou účinnost 4s lipo baterie

Obr.6 je křivka vlivu nerovnoměrného povlaku a kovových cizích předmětů Co a Al na rychlostní kapacitu a Coulombovu účinnost 4s lipo baterie. Nerovnoměrný povlak snižuje jednotkovou hmotnostní kapacitu 4s lipo baterie o 10 %–20 %, ale kapacita celé 4s lipo baterie klesla o 60 %, což ukazuje, že kvalita živých částí v pólovém dílu byla výrazně snížena. Kovový cizí předmět Co snižuje kapacitu a Coulombovu účinnost, a dokonce i při vysokých rychlostech 2C a 5C není kapacita vůbec žádná, což může být způsobeno tvorbou slitin kovového Co v elektrochemické reakci, která brání delithaci a interkalaci lithia, nebo může být póry separátoru zablokovány kovovými částicemi, což způsobuje mikro zkraty.
Obr.6 Vliv nerovnoměrného katodového povlaku a kovových cizích předmětů Co a Al na rychlostní kapacitu a Coulombovu účinnost 4s lipo baterie
Shrnutí vad kladného pólového dílu: Shluky v povlaku kladného pólového dílu snižují Coulombovu účinnost 4s lipo baterie. Dírky v katodovém povlaku snižují Coulombovu účinnost, což vede k horšímu výkonu při rychlých cyklech, zejména při vysokých proudových hustotách. Nerovnoměrné povlaky vykazují špatný výkon při rychlých cyklech. Kontaminace kovovými částicemi může způsobit mikro zkraty, které mohou výrazně snížit kapacitu 4s lipo baterie.

(2) Shrnutí vlivu povrchových vad pólového dílu na rychlostní cyklus baterie je následující:

Shlukování: při 2C je zachování kapacity 4s lipo baterie s nepoškozeným pólovým dílem 70 % po 200 cyklech, zatímco u vadné 4s lipo baterie je to 12 %. Při 5C je zachování kapacity nepoškozené 4s lipo baterie 50 % po 200 cyklech, u vadné baterie 14 %.
Pinhole (dírka): Pokles kapacity je zřejmý, ale ne tak rychlý jako u vady shlukování. Zachování kapacity při 2C a 5C po 200 cyklech je 47 % a 40 %.
Kovový cizí předmět: Kapacita kovového cizího předmětu je téměř 0 po několika cyklech, a kapacita Al fólie s kovovým cizím předmětem při 5C cyklu výrazně klesá.
Netěsné proužky fólie: Při stejné ploše netěsné fólie, ve srovnání s velkým proužkem (47% zachování kapacity po 200 cyklech při 5C), kapacita 4s lipo baterie s více malými proužky klesá rychleji (200 cyklů při 5C). Zachování kapacity druhého cyklu je 7%. To ukazuje, že čím větší počet proužků, tím větší dopad na cyklickou životnost 4s lipo baterie.
No, výše uvedený text je úplný obsah typů vad pólových dílů 4s lipo baterií, jejich dopadů a metod detekce, které vám dnes přinesla CNHL. Věřím, že po přečtení celého textu se všem prohloubilo porozumění pólovým dílům 4s lipo baterií. Více informací o lithium bateriích je průběžně aktualizováno, uvidíme se v dalším vydání.