סוגי פגמים נפוצים בחלקי קוטב של סוללות ליתיום-פולימר 4s והשפעתם וזיהויים

כיום, בתהליך הכנת סוללות 4s ליפו חתיכות קוטב, נעשה שימוש גובר בטכנולוגיות גילוי מקוונות, כדי לזהות ביעילות פגמים בייצור של המוצרים, להסיר מוצרים פגומים, ולספק משוב בזמן אמת לקו הייצור, כדי לבצע התאמות בתהליך הייצור באופן אוטומטי או ידני, ולהפחית את שיעור הפגמים.
בחלק הבא, CNHL, יצרנית סוללות ליתיום 4s ליפו, תציג בקצרה את שיטת הגילוי החדשה לטכנולוגיית פגמים על פני השטח של סוללות ליתיום 4s ליפו - טכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא-אדומה ואת הקשר בין הפגמים השונים הללו לביצועים האלקטרוכימיים. ראו מחקר מעמיק בנושא זה מאת D. Mohanty ואחרים.

1 פגמים נפוצים על פני שטח חתיכות הקוטב של סוללות ליתיום 4s ליפו

איור 1 הוא פגם נפוץ על פני שטח חתיכת הקוטב של סוללת ליתיום 4s ליפו, משמאל תמונה אופטית, ומימין תמונה שצולמה על ידי מצלמת תרמית.

איור 1 פגמים נפוצים על פני שטח חתיכת הקוטב: (a, b) שקיות/גושים בולטים; (c, d) טיפות/חוריים; (e, f) גופים זרים ממתכת; (g, h) ציפוי לא אחיד
(a, b) גושים/צברים בולטים, פגמים כאלה יכולים להתרחש אם התערובת נערכה בצורה לא אחידה או אם קצב ההזנה לציפוי אינו יציב. הצטברות של חומר דבק וסוכן מוליך פחמן שחור גורמת לתכולת חומר פעיל נמוכה ולחתיכות קוטב קלות משקל.
(c, d) אזורי נפילה/חוריים, אזורים פגומים אלה אינם מצופים ונוצרים בדרך כלל על ידי בועות אוויר בתמיסה. הם מפחיתים את כמות החומר הפעיל וחשופים את אוסף הזרם לאלקטרוליט, ובכך מפחיתים את הקיבולת האלקטרוכימית.
(e, f) גופים זרים ממתכת, גופים זרים ממתכת שהוכנסו בתמיסה או בציוד ובסביבה, גופים זרים ממתכת מזיקים מאוד לסוללת ליתיום 4s ליפו. חלקיקי המתכת הגדולים יותר חודרים ישירות למפריד, וגורמים לקצר חשמלי בין האלקטרודות החיובית והשלילית, שזהו קצר פיזי. בנוסף, כאשר גופים זרים ממתכת מעורבבים באלקטרודה החיובית, הפוטנציאל של האלקטרודה החיובית עולה לאחר הטעינה, המתכת מתמוססת, מתפזרת דרך האלקטרוליט, ואז משקעת על פני השטח של האלקטרודה השלילית, ולבסוף חודרת את הממברנה ויוצרת קצר, שזהו קצר כימי של התמססות. הגופים הזרים ממתכת הנפוצים ביותר באתר מפעל סוללות 4s ליפו הם Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS וכו'.
(g, h) ציפוי לא אחיד, כגון ערבוב לא מספק של התערובת, עלולים להופיע פסים כאשר גודל החלקיקים גדול, מה שגורם לציפוי לא אחיד, וישפיע על אחידות הקיבולת של סוללת 4s lipo, ואפילו ייראו פסים ללא ציפוי כלל. הפסים משפיעים הן על הקיבולת והן על הבטיחות.

2 טכנולוגיית זיהוי פגמי פני שטח בקוטבי סוללת ליתיום 4s lipo

הדמיית חום תת-אדום (IR) משמשת לזיהוי פגמים זעירים בקוטבי היבש שעלולים לפגוע בביצועי סוללות ליתיום 4s lipo. במהלך הבדיקה באונליין, אם מתגלים פגמים באלקטרודה או מזהמים, מסמנים אותם על הקוטבים, מסירים אותם בתהליכים הבאים, ומחזירים את המידע לקו הייצור כדי להתאים את התהליך בזמן ולבטל את הפגמים. תת-אדום הוא גל אלקטרומגנטי שיש לו את אותה טבע כמו גלי רדיו ואור נראה. שימוש במכשיר אלקטרוני מיוחד להמרת התפלגות הטמפרטורה של פני השטח של האובייקט לתמונה הנראית לעין האנושית, והצגת התפלגות הטמפרטורה של פני השטח בצבעים שונים, נקרא טכנולוגיית הדמיית חום תת-אדום, והמכשיר האלקטרוני הזה נקרא מצלמת חום תת-אדום. כל האובייקטים מעל האפס המוחלט (-273°C) פולטים קרינה תת-אדומה.
כפי שמוצג באיור 2, מצלמת חום תת-אדום (IR Camera) משתמשת בגלאי תת-אדום ועדשה אופטית לקבלת דפוס התפלגות אנרגיית הקרינה התת-אדומה של האובייקט הנמדד ולהקרין אותו על האלמנט הרגיש לאור של גלאי התת-אדום כדי לקבל תמונת חום תת-אדומה. תמונת החום הזו מתאימה לשדה התפלגות החום על פני שטח האובייקט. כאשר יש פגמים על פני שטח האובייקט, תהיה סטייה בטמפרטורה באזור זה. לכן, טכנולוגיה זו יכולה לשמש גם לזיהוי פגמים על פני השטח של האובייקט, במיוחד לפגמים מסוימים שלא ניתן לפתור באמצעות שיטות גילוי אופטיות. כאשר בודקים את קוטב היבש של סוללת ליתיום 4s lipo באונליין, קודם כל הקוטב מוקרן על ידי מנורת הבזק, וטמפרטורת פני השטח משתנה, ואז טמפרטורת פני השטח מתגלה על ידי מצלמת חום. תמונת התפלגות החום מוצגת בצורה ויזואלית, והתמונה מעובדת ומנותחת בזמן אמת, ופגמי פני השטח מתגלים ומסומנים בזמן. המחקר של D. Mohanty התקין מצלמת חום ביציאת תנור הייבוש של הציפוי כדי לזהות את תמונת התפלגות הטמפרטורה על פני שטח הקוטב.
איור 2. דיאגרמת סכמטית של מראה פני השטח של חתיכת הקוטב שזוהתה על ידי מצלמת חום

איור 3(א) הוא התפלגות הטמפרטורה של פני השטח של ציפוי אלקטרודת הקתודה NMC שזוהתה על ידי מצלמת חום, המכילה פגם קטן מאוד שלא ניתן להבחין בו בעין בלתי מזוינת. עקומת התפלגות הטמפרטורה המתאימה למקטע הקו בדרך מוצגת בהכנסה, ויש זינוק בטמפרטורה בנקודת הפגם.
בתיבה המתאימה לתמונה באיור 3(ב), הטמפרטורה עולה מקומית, מה שמתאים לפגם על פני חתיכת הקוטב.
איור 4 הוא גרף התפלגות טמפרטורת המשטח של חתיכת הקוטב השלילית המראה את קיומם של פגמים, כאשר הפסגות עם טמפרטורה מוגברת מתאימות לבועות או גושים, והאזורים עם טמפרטורה מופחתת מתאימים לנקבוביות או נפילות.

איור 3 התפלגות טמפרטורת הדמיית חום על פני משטח האלקטרודה החיובית
איור 4 התפלגות טמפרטורת הדמיית חום על פני משטח חתיכת הקוטב השלילית
ניתן לראות שזיהוי טמפרטורת התפלגות באמצעות הדמיית חום הוא שיטה טובה לזיהוי פגמים במשטח חתיכות הקוטב, וניתן להשתמש בה לבקרת איכות בייצור חתיכות הקוטב.

3 השפעת פגמים במשטח חתיכת הקוטב של סוללת ליתיום 4s ליפו על ביצועי סוללת 4s ליפו

(1) השפעה על קיבולת הקצב ויעילות הקולומב של סוללת 4s ליפו

איור 5 הוא עקומת ההשפעה של גושים ונקבוביות על קיבולת הקצב ויעילות הקולומב של סוללת 4s ליפו. הגושים יכולים למעשה להגדיל את הקיבולת של סוללת 4s ליפו, אך יפחיתו את יעילות הקולומב. הנקבובית מפחיתה את הקיבולת ואת יעילות הקולומב של סוללת 4s ליפו, ויעילות הקולומב יורדת משמעותית בקצבים גבוהים.

איור 5 השפעת גושים חיוביים ונקבוביות על קיבולת הקצב ויעילות הקולומב של סוללת 4s ליפו

איור 6 הוא עקומת ההשפעה של ציפוי לא אחיד וחומר זר מתכתי Co ו-Al על קיבולת הקצב ויעילות קולומבית של סוללת 4s ליפו, ציפוי לא אחיד מפחית את קיבולת המסה היחידנית של סוללת 4s ליפו ב-10%-20%, אך הקיבולת של כל סוללת 4s ליפו ירדה ב-60%, מה שמראה שאיכות החומר בחלק הקוטב ירדה משמעותית. חומר זר מתכתי Co מפחית את הקיבולת והיעילות הקולומבית, ואפילו בקצבים גבוהים של 2C ו-5C אין כלל קיבולת, ייתכן שזה נובע מהיווצרות סגסוגות על ידי מתכת Co בתגובה האלקטרוכימית, שמפריעה לדליתיום והחדרת ליתיום, או שהנימים של המפריד נחסמים על ידי חלקיקי מתכת וגורמים לקצרים מיקרוסקופיים.
איור 6 השפעת ציפוי קתודה לא אחיד וחומר זר מתכתי Co ו-Al על קיבולת הקצב ויעילות קולומבית של סוללת 4s ליפו
סיכום פגמי חלק הקוטב החיובי: הצטברויות בציפוי חלק הקוטב החיובי מפחיתות את היעילות הקולומבית של סוללת 4s ליפו. חורי סיכה בציפוי הקתודה מפחיתים את היעילות הקולומבית, מה שגורם לביצועי קצב ירודים, במיוחד בצפיפויות זרם גבוהות. ציפויים לא אחידים מציגים ביצועי קצב ירודים. זיהום של חלקיקי מתכת יכול לגרום לקצרים מיקרוסקופיים, מה שיכול להפחית משמעותית את הקיבולת של סוללת 4s ליפו.

(2) סיכום תוצאות ההשפעה של פגמי פני השטח של חלק הקוטב על מחזור הקצב של הסוללה הוא כדלקמן:

הצטברות: ב-2C, שיעור שימור הקיבולת של סוללת 4s ליפו עם חלק קוטב ללא פגמים הוא 70% ל-200 מחזורים, ושל סוללת 4s ליפו עם פגם הוא 12%. ב-5C, שיעור שימור הקיבולת של סוללת 4s ליפו עם חלק קוטב ללא פגמים הוא 50% ל-200 מחזורים, ושל סוללת 4s ליפו עם פגם הוא 14%.
חור סיכה: דעיכת הקיבולת ברורה, אך לא מהירה כמו פגם הצטברות. שיעור שימור הקיבולת ב-2C ו-5C לאחר 200 מחזורים הוא 47% ו-40%, בהתאמה.
גוף זר מתכתי: הקיבולת של גוף זר מתכתי כמעט אפס לאחר מספר מחזורים, וקיבולת מחזור 5C של רדיד אלומיניום עם גוף זר מתכתי יורדת משמעותית.
פסי רדיד דולפים: תחת אותו אזור רדיד דולף, בהשוואה לפס רחב (שיעור שימור קיבולת של 47% ל-200 מחזורים ב-5C), הקיבולת של סוללת 4s ליפו עם מספר פסי רדיד קטנים יורדת מהר יותר (שיעור שימור קיבולת במחזור השני של 7% ל-200 מחזורים ב-5C). זה מראה שככל שמספר הפסים גדול יותר, כך ההשפעה על מחזור חיי סוללת 4s ליפו גדולה יותר.
ובכן, לעיל הוא התוכן המלא של סוגי הפגמים בחלקי הקוטב של סוללת 4s ליפו, השפעתם ושיטות הגילוי ש-CNHL הביא לכם היום. אני מאמין שאחרי קריאת כל הטקסט, ההבנה של כולם לגבי חלק הקוטב של סוללת 4s ליפו התעמקה. מידע נוסף על סוללות ליתיום מתעדכן כל הזמן, נתראה במהדורה הבאה.