Tipos comuns de defeitos na peça do polo da bateria lipo 4s e a sua influência e deteção

Atualmente, no processo de preparação das peças de polo da bateria lipo 4s, são utilizadas cada vez mais tecnologias de deteção online, de forma a identificar eficazmente os defeitos de fabrico dos produtos, eliminar produtos defeituosos e fornecer feedback atempado à linha de produção, para que se possam fazer ajustes ao processo de produção automaticamente ou manualmente, reduzindo a taxa de defeitos.
Na parte seguinte, CNHL, o fabricante da bateria lipo de lítio 4s, irá apresentar brevemente o novo método de tecnologia de deteção para defeitos de superfície da bateria lipo de lítio 4s - tecnologia de termografia por infravermelhos e a relação entre estes diferentes defeitos e o desempenho eletroquímico. Veja um estudo aprofundado sobre este tema por D. Mohanty et al.

1 Defeitos comuns na superfície das peças polares da bateria lipo de lítio 4s

A Figura 1 mostra um defeito comum na superfície da peça polar da bateria lipo de lítio 4s, à esquerda uma imagem óptica e à direita uma imagem capturada por uma câmara térmica.

Fig. 1 Defeitos comuns na superfície da peça polar: (a, b) Fardos/aglomerados elevados; (c, d) Falhas/poros; (e, f) Corpos estranhos metálicos; (g, h) Revestimento desigual
(a, b) Fardos/aglomerados elevados, tais defeitos podem ocorrer se a pasta for agitada de forma desigual ou se a taxa de alimentação do revestimento for instável. A aglomeração do ligante e do agente condutor negro de fumo resulta em baixo teor de ingrediente ativo e peças polares leves.
(c, d) Falhas/poros, estas áreas defeituosas não são revestidas e geralmente são criadas por bolhas de ar na pasta. Reduzem a quantidade de material ativo e expõem o coletor de corrente ao eletrólito, diminuindo assim a capacidade eletroquímica.
(e, f) Matéria estranha metálica, matéria estranha metálica introduzida na pasta ou no equipamento e ambiente, a matéria estranha metálica é muito prejudicial à bateria lipo de lítio 4s. As partículas metálicas de maior tamanho perfuram diretamente o separador, resultando num curto-circuito entre os eletrodos positivo e negativo, que é um curto-circuito físico. Além disso, quando a matéria estranha metálica se mistura no eletrodo positivo, o potencial do eletrodo positivo aumenta após a carga, o metal dissolve-se, difunde-se através do eletrólito e depois precipita na superfície do eletrodo negativo, e finalmente perfura o diafragma e forma um curto-circuito, que é um curto-circuito por dissolução química. Os corpos metálicos estranhos mais comuns no local da fábrica da bateria lipo 4s são Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS, etc.
(g, h) Revestimento irregular, como mistura insuficiente da pasta, é provável que apareçam riscas quando a finura das partículas é grande, resultando num revestimento desigual, o que afetará a consistência da capacidade da bateria 4s lipo, e até poderá parecer que não há revestimento algum. As riscas têm impacto tanto na capacidade como na segurança.

2 Tecnologia de deteção de defeitos na superfície da peça do polo da bateria de lítio 4s lipo

A termografia infravermelha (IR) é usada para detetar pequenos defeitos nas peças do polo secas que podem danificar o desempenho das baterias lipo 4s de lítio. Durante a inspeção online, se forem detetados defeitos nos eletrodos ou contaminantes, marque-os nas peças do polo, remova-os nos processos subsequentes e retroalimente-os para a linha de produção para ajustar o processo a tempo para eliminar os defeitos. O infravermelho é uma onda eletromagnética que tem a mesma natureza das ondas de rádio e da luz visível. Usar um dispositivo eletrónico especial para converter a distribuição de temperatura da superfície do objeto numa imagem visível ao olho humano, e mostrar a distribuição de temperatura da superfície do objeto em diferentes cores, chama-se tecnologia de termografia infravermelha, e este dispositivo eletrónico chama-se câmara térmica infravermelha. Todos os objetos acima do zero absoluto (-273°C) emitem radiação infravermelha.
Como mostrado na Figura 2, uma câmara térmica infravermelha (IR Camera) utiliza um detector infravermelho e uma objetiva de imagem ótica para receber o padrão de distribuição de energia de radiação infravermelha do objeto alvo medido e refletir isso no elemento fotosensível do detector infravermelho para obter uma imagem térmica infravermelha, esta imagem térmica corresponde ao campo de distribuição térmica na superfície do objeto. Quando existem defeitos na superfície do objeto, haverá uma alteração de temperatura nessa área. Portanto, esta tecnologia também pode ser usada para detectar defeitos na superfície do objeto, especialmente para alguns defeitos que não podem ser resolvidos por métodos de deteção ótica. Quando a peça do polo seca da bateria lipo 4s de lítio é testada online, primeiro a peça do polo é irradiada por uma lâmpada de flash, e a temperatura da superfície muda, e depois a temperatura da superfície é detetada por uma câmara térmica. A imagem da distribuição térmica é visualizada, e a imagem é processada e analisada em tempo real, e os defeitos da superfície são detetados e marcados a tempo. A pesquisa de D. Mohanty instalou uma câmara térmica na saída do forno de secagem do revestidor para detetar a imagem da distribuição de temperatura na superfície da peça do polo.
Figura 2. Diagrama esquemático da aparência da superfície da peça do polo detetada pelo termovisor

A Figura 3(a) é a distribuição da temperatura da superfície do revestimento do eletrodo cátodo NMC detetada pelo termovisor, que contém um defeito muito pequeno que não pode ser distinguido a olho nu. A curva de distribuição da temperatura correspondente ao segmento de linha no caminho é mostrada no inseto, e há um pico de temperatura no ponto do defeito.
Na caixa correspondente à imagem na Fig. 3(b), a temperatura aumenta localmente, o que corresponde ao defeito na superfície da peça do polo.
A Figura 4 é um gráfico da distribuição da temperatura na superfície da peça do polo negativo que mostra a existência de defeitos, onde os picos com aumento de temperatura correspondem a bolhas ou aglomerados, e as regiões com diminuição de temperatura correspondem a pinholes ou falhas.

Figura 3 Distribuição da temperatura por termografia na superfície do eletrodo positivo
Figura 4 Distribuição da temperatura por termografia na superfície da peça do polo negativo
Pode-se observar que a deteção por termografia da distribuição de temperatura é um bom método para detetar defeitos na superfície das peças do polo, e pode ser usado para controlo de qualidade na fabricação das peças do polo.

3 A influência dos defeitos na superfície da peça do polo da bateria lipo 4s de lítio no desempenho da bateria lipo 4s

(1) Influência na capacidade de taxa e eficiência coulômbica da bateria lipo 4s

A Figura 5 é a curva de influência dos aglomerados e pinholes na capacidade de taxa e na eficiência coulômbica da bateria lipo 4s. Os aglomerados podem, na verdade, aumentar a capacidade da bateria lipo 4s, mas irão reduzir a eficiência coulômbica. O pinhole reduz a capacidade e a eficiência coulômbica da bateria lipo 4s, e a eficiência coulômbica cai bastante em altas taxas.

Fig.5 Influência dos aglomerados positivos e dos pinholes na capacidade de taxa e na eficiência coulômbica da bateria lipo 4s

A Fig.6 é a curva de influência do revestimento desigual e de corpos estranhos metálicos Co e Al na capacidade de taxa e eficiência coulômbica da bateria lipo 4s, o revestimento desigual reduz a capacidade de massa unitária da bateria lipo 4s em 10%-20%, mas a capacidade de toda a bateria lipo 4s caiu 60%, o que mostra que a qualidade dos seres vivos na peça do polo foi significativamente reduzida. O corpo estranho metálico Co reduz a capacidade e a eficiência coulômbica, e mesmo em taxas elevadas de 2C e 5C, não há capacidade alguma, o que pode dever-se à formação de ligas pelo metal Co na reação eletroquímica, que dificulta a deslitiação e a intercalação de lítio, ou pode ser bloqueado pelas partículas metálicas. Os poros do separador causam microcurtos-circuitos.
Fig.6 Influência do revestimento não uniforme do cátodo e de corpos estranhos metálicos Co e Al na capacidade de taxa e eficiência coulômbica da bateria 4s lipo
Resumo dos defeitos da peça do polo positiva: Aglomerações no revestimento da peça do polo positiva reduzem a eficiência coulômbica da bateria 4s lipo. Pinhole no revestimento do cátodo reduzem a eficiência coulômbica, resultando em desempenho de taxa pobre, especialmente em densidades de corrente elevadas. Revestimentos não uniformes mostram desempenho de taxa pobre. Contaminação por partículas metálicas pode causar microcurtos-circuitos, o que pode reduzir muito a capacidade da bateria 4s lipo.

(2) Os resultados da influência dos defeitos superficiais da peça do polo no ciclo de taxa da bateria são resumidos como segue:

Aglomeração: a 2C, a taxa de retenção de capacidade da bateria 4s lipo com peça do polo sem defeitos é de 70% para 200 ciclos, e a bateria 4s lipo com defeito é de 12%. A 5C, a taxa de manutenção de capacidade da bateria 4s lipo com peça do polo sem defeitos é de 50% para 200 ciclos, e a bateria 4s lipo com defeito é de 14%.
Pinhole: A degradação da capacidade é óbvia, mas não tão rápida quanto o defeito de aglomeração. A taxa de retenção de capacidade a 2C e 5C após 200 ciclos é de 47% e 40%, respetivamente.
Corpo estranho metálico: A capacidade do corpo estranho metálico é quase 0 após vários ciclos, e a capacidade do ciclo 5C da folha de alumínio com corpo estranho metálico diminui significativamente.
Faixas de folha com fugas: Sob a mesma área de folha com fuga, comparado com uma faixa grande (taxa de retenção de capacidade de 47% para 200 ciclos a 5C), a capacidade da bateria 4s lipo com múltiplas faixas pequenas diminui mais rapidamente (200 ciclos a 5C). A taxa de retenção de capacidade do segundo ciclo é de 7%). Isto mostra que quanto maior o número de faixas, maior o impacto no ciclo da bateria 4s lipo.
Bem, o acima é o conteúdo completo dos tipos de defeitos nas peças do polo da bateria 4s lipo, seu impacto e métodos de deteção que a CNHL trouxe para si hoje. Acredito que após ler todo o texto, a compreensão de todos sobre a peça do polo da bateria 4s lipo se aprofundou. Mais informações sobre baterias de lítio são continuamente atualizadas, até à próxima edição.