Typowe defekty elementów biegunowych akumulatorów lipo 4s oraz ich wpływ i wykrywanie

Obecnie, w procesie przygotowywania baterii 4s lipo, coraz częściej stosuje się technologie wykrywania online, aby skutecznie identyfikować defekty produkcyjne, eliminować produkty wadliwe oraz na bieżąco przekazywać informacje zwrotne do linii produkcyjnej, aby automatycznie lub ręcznie wprowadzać korekty w procesie produkcji i zmniejszać wskaźnik defektów.
W dalszej części CNHL, producent baterii litowo-polimerowej 4s, krótko przedstawi nową metodę technologii wykrywania defektów powierzchni baterii litowo-polimerowej 4s - technologię termowizji na podczerwień oraz związek między tymi różnymi defektami a wydajnością elektrochemiczną. Zobacz dogłębne badanie autorstwa D. Mohanty i in.

1 Typowe defekty na powierzchni elementów biegunowych baterii litowo-polimerowej 4s

Rysunek 1 przedstawia typowy defekt na powierzchni elementu biegunowego baterii litowo-polimerowej 4s, po lewej obraz optyczny, po prawej obraz zarejestrowany przez kamerę termowizyjną.

Rys. 1 Typowe defekty na powierzchni elementu biegunowego: (a, b) Wypukłe worki/agregaty; (c, d) Ubytki/otwory; (e, f) Metalowe ciała obce; (g, h) Nierówna powłoka
(a, b) Wypukłe grudki/agregaty, takie defekty mogą wystąpić, jeśli zawiesina jest mieszana nierównomiernie lub szybkość podawania powłoki jest niestabilna. Agregacja spoiwa i przewodzącego węgla sadzy skutkuje niską zawartością składnika aktywnego i lekkimi elementami biegunowymi.
(c, d) Ubytki/otwory, te defektowe obszary nie są pokryte powłoką i zwykle powstają w wyniku pęcherzyków powietrza w zawiesinie. Zmniejszają ilość aktywnego materiału i odsłaniają kolektor prądu na elektrolit, co zmniejsza pojemność elektrochemiczną.
(e, f) Metalowe ciała obce, metalowe ciała obce wprowadzone do zawiesiny lub sprzętu i środowiska, metalowe ciała obce są bardzo szkodliwe dla baterii litowo-polimerowej 4s. Większe cząstki metalu bezpośrednio przebijają separator, powodując zwarcie między elektrodą dodatnią a ujemną, co jest zwarciem fizycznym. Ponadto, gdy metalowe ciała obce są wymieszane z elektrodą dodatnią, potencjał elektrody dodatniej wzrasta po naładowaniu, metal rozpuszcza się, dyfunduje przez elektrolit, a następnie osadza się na powierzchni elektrody ujemnej, ostatecznie przebijając przegrodę i tworząc zwarcie, co jest zwarciem chemicznym. Najczęściej występującymi metalowymi ciałami obcymi na terenie fabryki baterii 4s lipo są Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS itp.
(g, h) Nierównomierne powlekanie, takie jak niewystarczające wymieszanie zawiesiny, powoduje pojawienie się smug, gdy ziarnistość cząstek jest duża, co skutkuje nierównomiernym powlekaniem, co wpłynie na spójność pojemności baterii 4s lipo, a nawet może wyglądać jak brak powlekania. Smugi mają wpływ zarówno na pojemność, jak i bezpieczeństwo.

2 Technologia wykrywania defektów powierzchni elementów biegunowych baterii litowo-jonowej 4s lipo

Termowizja w podczerwieni (IR) jest używana do wykrywania drobnych defektów na suchych elementach biegunowych, które mogłyby uszkodzić wydajność baterii litowo-jonowych 4s lipo. Podczas inspekcji online, jeśli wykryte zostaną defekty elektrody lub zanieczyszczenia, oznacza się je na elementach biegunowych, usuwa w kolejnych procesach i przekazuje z powrotem do linii produkcyjnej, aby na czas dostosować proces i wyeliminować defekty. Podczerwień to fala elektromagnetyczna o takiej samej naturze jak fale radiowe i światło widzialne. Użycie specjalnego urządzenia elektronicznego do przekształcenia rozkładu temperatury powierzchni obiektu w obraz widoczny dla ludzkiego oka oraz wyświetlenie rozkładu temperatury powierzchni obiektu w różnych kolorach nazywa się technologią termowizji w podczerwieni, a to urządzenie elektroniczne nazywa się termowizorem podczerwieni. Wszystkie obiekty powyżej zera absolutnego (-273°C) emitują promieniowanie podczerwone.
Jak pokazano na Rysunku 2, termowizor na podczerwień (kamera IR) wykorzystuje detektor podczerwieni oraz optyczny obiektyw obrazujący do odbioru rozkładu energii promieniowania podczerwonego mierzonego obiektu i odzwierciedlenia go na elemencie światłoczułym detektora podczerwieni, aby uzyskać obraz termiczny w podczerwieni. Ten obraz termiczny odpowiada polu rozkładu temperatury na powierzchni obiektu. Gdy na powierzchni obiektu występują defekty, w tym obszarze pojawia się przesunięcie temperatury. Dlatego ta technologia może być również używana do wykrywania defektów na powierzchni obiektu, zwłaszcza takich, których nie można wykryć metodami optycznymi. Podczas testowania na linii suchego elementu biegunowego baterii litowo-jonowej 4s lipo, najpierw element biegunowy jest naświetlany lampą błyskową, co powoduje zmianę temperatury powierzchni, a następnie temperatura powierzchni jest wykrywana przez termowizor. Obraz rozkładu temperatury jest wizualizowany, a obraz jest przetwarzany i analizowany w czasie rzeczywistym, a defekty powierzchni są wykrywane i oznaczane na bieżąco. Badania D. Mohanty'ego polegały na zainstalowaniu termowizora przy wylocie suszarki powlekacza w celu wykrywania obrazu rozkładu temperatury na powierzchni elementu biegunowego.
Rysunek 2. Schemat wyglądu powierzchni bieguna wykrytej termowizją

Rysunek 3(a) przedstawia rozkład temperatury na powierzchni powłoki elektrody katodowej NMC wykryty termowizją, zawierający bardzo mały defekt niewidoczny gołym okiem. Krzywa rozkładu temperatury odpowiadająca odcinkowi linii jest pokazana na wstawce, gdzie w punkcie defektu występuje skok temperatury.
W polu odpowiadającym obrazowi na rys. 3(b) temperatura lokalnie wzrasta, co odpowiada defektowi na powierzchni bieguna.
Rysunek 4 to wykres rozkładu temperatury powierzchni ujemnego bieguna pokazujący istnienie defektów, gdzie szczyty z podwyższoną temperaturą odpowiadają pęcherzykom lub aglomeratom, a obszary z obniżoną temperaturą odpowiadają dziurkom lub ubytkom.

Rysunek 3 Rozkład temperatury na powierzchni elektrody dodatniej zarejestrowany termowizją
Rysunek 4 Rozkład temperatury na powierzchni ujemnego bieguna zarejestrowany termowizją
Można zauważyć, że termowizyjna detekcja rozkładu temperatury jest dobrą metodą wykrywania defektów powierzchni biegunów i może być stosowana do kontroli jakości produkcji biegunów.

3 Wpływ defektów powierzchni biegunów baterii litowo-jonowej 4s lipo na wydajność baterii 4s lipo

(1) Wpływ na zdolność prądową i sprawność kulombową baterii 4s lipo

Rysunek 5 przedstawia krzywą wpływu aglomeratów i dziurek na zdolność prądową i sprawność kulombową baterii 4s lipo. Aglomeraty faktycznie mogą zwiększyć pojemność baterii 4s lipo, ale obniżają sprawność kulombową. Dziurki zmniejszają pojemność i sprawność kulombową baterii 4s lipo, a sprawność kulombowa znacznie spada przy wysokich prądach.

Rys.5 Wpływ pozytywnych aglomeratów i dziurek na zdolność prądową i sprawność kulombową baterii 4s lipo

Rys.6 przedstawia krzywą wpływu niejednorodnej powłoki oraz metalicznych zanieczyszczeń Co i Al na pojemność przy dużych prądach i efektywność kulombową baterii 4s lipo. Niejednorodna powłoka zmniejsza jednostkową pojemność masową baterii 4s lipo o 10%-20%, ale pojemność całej baterii 4s lipo spadła o 60%, co pokazuje, że jakość żywych elementów w elemencie biegunowym została znacznie obniżona. Metaliczne zanieczyszczenia Co zmniejszają pojemność i efektywność kulombową, a nawet przy wysokich prądach 2C i 5C pojemność jest zerowa, co może wynikać z tworzenia stopów przez metal Co w reakcji elektrochemicznej, co utrudnia odlitowanie i interkalację litu, lub może być spowodowane zatkaniem porów separatora przez cząstki metalu, powodując mikrozwarcia.
Rys.6 Wpływ niejednorodnej powłoki katody oraz metalicznych zanieczyszczeń Co i Al na pojemność przy dużych prądach i efektywność kulombową baterii 4s lipo
Podsumowanie defektów dodatniego elementu biegunowego: Aglomeraty w powłoce dodatniego elementu biegunowego obniżają efektywność kulombową baterii 4s lipo. Dziurki w powłoce katody obniżają efektywność kulombową, co skutkuje słabą wydajnością przy dużych prądach, zwłaszcza przy wysokich gęstościach prądu. Niejednorodne powłoki wykazują słabą wydajność przy dużych prądach. Zanieczyszczenia metaliczne mogą powodować mikrozwarcia, co znacznie obniża pojemność baterii 4s lipo.

(2) Podsumowanie wpływu defektów powierzchni elementu biegunowego na cykl szybkościowy baterii jest następujące:

Aglomeracja: przy 2C współczynnik utrzymania pojemności baterii 4s lipo z elementem biegunowym bez defektu wynosi 70% po 200 cyklach, a baterii z defektem 12%. Przy 5C współczynnik utrzymania pojemności baterii 4s lipo z elementem biegunowym bez defektu wynosi 50% po 200 cyklach, a baterii z defektem 14%.
Dziurka: Spadek pojemności jest wyraźny, ale nie tak szybki jak w przypadku defektu aglomeratu. Współczynnik utrzymania pojemności przy 2C i 5C po 200 cyklach wynosi odpowiednio 47% i 40%.
Obcy metal: Pojemność baterii z obcym metalem jest prawie zerowa po kilku cyklach, a pojemność folii Al z obcym metalem znacznie spada przy cyklu 5C.
Przeciekające paski folii: Przy tej samej powierzchni przeciekającej folii, w porównaniu z dużym paskiem (współczynnik utrzymania pojemności 47% po 200 cyklach przy cyklu 5C), pojemność baterii 4s lipo z wieloma małymi paskami spada szybciej (współczynnik utrzymania pojemności po 200 cyklach przy cyklu 5C wynosi 7%). Pokazuje to, że im większa liczba pasków, tym większy wpływ na cykl życia baterii 4s lipo.
Cóż, powyższe to pełna treść dotycząca rodzajów defektów elementów biegunowych baterii 4s lipo, ich wpływu oraz metod wykrywania, które CNHL przedstawiło dzisiaj. Wierzę, że po przeczytaniu całego tekstu, zrozumienie elementów biegunowych baterii 4s lipo przez wszystkich pogłębiło się. Więcej informacji o bateriach litowych jest stale aktualizowanych, do zobaczenia w następnym wydaniu.