Tipos comunes de defectos en piezas de polos de baterías lipo 4s y su influencia y detección

Actualmente, en el proceso de preparación de las piezas polares de baterías 4s lipo, se utilizan cada vez más tecnologías de detección en línea, para identificar eficazmente los defectos de fabricación de los productos, eliminar los productos defectuosos y retroalimentar oportunamente a la línea de producción, para realizar ajustes en el proceso de producción de forma automática o manual, reduciendo la tasa de defectos.
En la siguiente parte, CNHL, el fabricante de baterías de litio 4s lipo, presentará brevemente el nuevo método de tecnología de detección para defectos superficiales de la batería de litio 4s lipo: la tecnología de imagen térmica infrarroja y la relación entre estos diferentes defectos y el rendimiento electroquímico. Véase un estudio en profundidad realizado por D. Mohanty et al.

1 Defectos comunes en la superficie de las piezas polares de la batería de litio 4s lipo

La Figura 1 muestra un defecto común en la superficie de la pieza polar de la batería de litio 4s lipo, a la izquierda una imagen óptica y a la derecha una imagen capturada por una cámara termográfica.

Fig. 1 Defectos comunes en la superficie de la pieza polar: (a, b) Fardos/aglomerados elevados; (c, d) Caídas/poros; (e, f) Cuerpos extraños metálicos; (g, h) Recubrimiento desigual
(a, b) Fardos/aglomerados elevados, tales defectos pueden ocurrir si la suspensión se agita de manera desigual o la tasa de alimentación del recubrimiento es inestable. La aglomeración del aglutinante y el agente conductor negro de carbono resulta en un bajo contenido de ingrediente activo y piezas polares de peso ligero.
(c, d) Caídas/poros, estas áreas defectuosas no están recubiertas y generalmente son creadas por burbujas de aire en la suspensión. Reducen la cantidad de material activo y exponen el colector de corriente al electrolito, reduciendo así la capacidad electroquímica.
(e, f) Materia extraña metálica, materia extraña metálica introducida en la suspensión o en el equipo y el entorno, la materia extraña metálica es muy perjudicial para la batería de litio 4s lipo. Las partículas metálicas de mayor tamaño perforan directamente el separador, lo que resulta en un cortocircuito entre los electrodos positivo y negativo, que es un cortocircuito físico. Además, cuando la materia extraña metálica se mezcla en el electrodo positivo, el potencial del electrodo positivo aumenta después de la carga, el metal se disuelve, se difunde a través del electrolito y luego se precipita en la superficie del electrodo negativo, y finalmente perfora el diafragma y forma un cortocircuito, que es un cortocircuito por disolución química. Los cuerpos extraños metálicos más comunes en la fábrica de baterías 4s lipo son Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etc.
(g, h) Recubrimiento desigual, como la mezcla insuficiente de la suspensión, es probable que aparezcan rayas cuando la finura de las partículas es grande, lo que resulta en un recubrimiento desigual, lo que afectará la consistencia de la capacidad de la batería 4s lipo, e incluso puede parecer que no hay recubrimiento en absoluto. Las rayas afectan tanto la capacidad como la seguridad.

2 Tecnología de detección de defectos en la superficie de la pieza de polo de la batería de litio 4s lipo

La termografía infrarroja (IR) se utiliza para detectar pequeños defectos en las piezas de polo secas que podrían dañar el rendimiento de las baterías de litio 4s lipo. Durante la inspección en línea, si se detectan defectos en los electrodos o contaminantes, se marcan en las piezas de polo, se eliminan en procesos posteriores y se retroalimenta a la línea de producción para ajustar el proceso a tiempo y eliminar los defectos. El infrarrojo es una onda electromagnética que tiene la misma naturaleza que las ondas de radio y la luz visible. Usar un dispositivo electrónico especial para convertir la distribución de temperatura de la superficie del objeto en una imagen visible para el ojo humano, y mostrar la distribución de temperatura de la superficie del objeto en diferentes colores, se llama tecnología de termografía infrarroja, y este dispositivo electrónico se llama termovisor infrarrojo. Todos los objetos por encima del cero absoluto (-273°C) emiten radiación infrarroja.
Como se muestra en la Figura 2, un termovisor infrarrojo (Cámara IR) utiliza un detector infrarrojo y una lente objetiva de imagen óptica para recibir el patrón de distribución de energía de radiación infrarroja del objeto objetivo medido y reflejarlo en el elemento fotosensible del detector infrarrojo para obtener una imagen térmica infrarroja. Esta imagen térmica corresponde al campo de distribución térmica en la superficie del objeto. Cuando hay defectos en la superficie del objeto, habrá un desplazamiento de temperatura en esta área. Por lo tanto, esta tecnología también puede usarse para detectar defectos en la superficie del objeto, especialmente para algunos defectos que no pueden resolverse mediante métodos de detección óptica. Cuando se prueba en línea la pieza de polo seca de la batería de litio 4s lipo, primero la pieza de polo es irradiada por una lámpara de destello, y la temperatura de la superficie cambia, luego la temperatura de la superficie es detectada por un termovisor. La imagen de distribución térmica se visualiza, y la imagen se procesa y analiza en tiempo real, detectando y marcando a tiempo los defectos superficiales. La investigación de D. Mohanty instaló un termovisor en la salida del horno de secado del recubridor para detectar la imagen de distribución de temperatura en la superficie de la pieza de polo.
Figura 2. Diagrama esquemático de la apariencia de la superficie de la pieza polar detectada por el termógrafo

La Figura 3(a) es la distribución de temperatura de la superficie del recubrimiento del electrodo cátodo NMC detectada por el termógrafo, que contiene un defecto muy pequeño que no puede distinguirse a simple vista. La curva de distribución de temperatura correspondiente al segmento de línea en el camino se muestra en el recuadro, y hay un pico de temperatura en el punto del defecto.
En el recuadro correspondiente a la imagen en la Fig. 3(b), la temperatura aumenta localmente, lo que corresponde al defecto en la superficie de la pieza polar.
La Figura 4 es un gráfico de la distribución de temperatura superficial de la pieza polar negativa que muestra la existencia de defectos, donde los picos con aumento de temperatura corresponden a burbujas o aglomerados, y las regiones con disminución de temperatura corresponden a poros o caídas.

Figura 3 Distribución de temperatura por termografía en la superficie del electrodo positivo
Figura 4 Distribución de temperatura por termografía en la superficie de la pieza polar negativa
Se puede observar que la detección por termografía de la distribución de temperatura es un buen método para detectar defectos en la superficie de las piezas polares, y puede usarse para el control de calidad en la fabricación de piezas polares.

3 La influencia de los defectos en la superficie de la pieza polar de la batería lipo 4s de litio en el rendimiento de la batería lipo 4s

(1) Influencia en la capacidad de tasa y la eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s

La Figura 5 es la curva de influencia de los aglomerados y poros en la capacidad de tasa y la eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s. Los aglomerados pueden aumentar en realidad la capacidad de la batería lipo 4s, pero reducirán la eficiencia coulómbica. El poro reduce la capacidad y la eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s, y la eficiencia coulómbica cae considerablemente a altas tasas.

Fig.5 Influencia de los aglomerados positivos y los poros en la capacidad de tasa y la eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s

Fig.6 es la curva de influencia del recubrimiento desigual y materia extraña metálica Co y Al en la capacidad de tasa y eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s, el recubrimiento desigual reduce la capacidad por masa unitaria de la batería lipo 4s en un 10%-20%, pero la capacidad de toda la batería lipo 4s ha caído un 60%, lo que muestra que la calidad de los materiales en la pieza polar se ha reducido significativamente. La materia extraña metálica Co reduce la capacidad y la eficiencia coulómbica, e incluso a altas tasas de 2C y 5C, no hay capacidad en absoluto, lo que puede deberse a la formación de aleaciones por el metal Co en la reacción electroquímica, lo que dificulta la deslitación y la intercalación de litio, o puede ser que los poros del separador estén bloqueados por partículas metálicas causando microcortocircuitos.
Fig.6 Influencia del recubrimiento desigual del cátodo y materia extraña metálica Co y Al en la capacidad de tasa y eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s
Resumen de defectos en la pieza polar positiva: Los agregados en el recubrimiento de la pieza polar positiva reducen la eficiencia coulómbica de la batería lipo 4s. Los orificios en el recubrimiento del cátodo reducen la eficiencia coulómbica, resultando en un rendimiento de tasa pobre, especialmente a densidades de corriente altas. Los recubrimientos no uniformes muestran un rendimiento de tasa pobre. La contaminación por partículas metálicas puede causar microcortocircuitos, lo que puede reducir enormemente la capacidad de la batería lipo 4s.

(2) Los resultados de la influencia de los defectos superficiales de la pieza polar en el ciclo de tasa de la batería se resumen de la siguiente manera:

Aglomeración: a 2C, la tasa de retención de capacidad de la batería lipo 4s con pieza polar sin defectos es del 70% para 200 ciclos, y la batería lipo 4s defectuosa es del 12%. A 5C, la tasa de mantenimiento de capacidad de la batería lipo 4s con pieza polar sin defectos es del 50% para 200 ciclos, y la batería lipo 4s defectuosa es del 14%.
Orificio: La degradación de la capacidad es evidente, pero no tan rápida como el defecto de aglomerado. La tasa de retención de capacidad a 2C y 5C después de 200 ciclos es del 47% y 40%, respectivamente.
Cuerpo extraño metálico: La capacidad del cuerpo extraño metálico es casi 0 después de varios ciclos con cuerpo extraño metálico, y la capacidad de ciclo 5C de la lámina de Al con cuerpo extraño metálico disminuye significativamente.
Rayas de lámina con fugas: Bajo la misma área de lámina con fugas, en comparación con una raya grande (tasa de retención de capacidad del 47% para 200 ciclos a ciclo 5C), la capacidad de la batería lipo 4s con múltiples rayas pequeñas disminuye más rápido (200 ciclos a ciclo 5C). La tasa de retención de capacidad del segundo ciclo es del 7%). Esto muestra que a mayor número de rayas, mayor es el impacto en el ciclo de la batería lipo 4s.
Bueno, lo anterior es el contenido completo de los tipos de defectos en las piezas polares de baterías lipo 4s, su impacto y métodos de detección que CNHL les presentó hoy. Creo que después de leer todo el texto, la comprensión de todos sobre la pieza polar de la batería lipo 4s se ha profundizado. Más información sobre baterías de litio se actualiza continuamente, nos vemos en la próxima edición.