Распространённые типы дефектов полюсных элементов аккумуляторов LiPo 4s и их влияние и обнаружение

В настоящее время в процессе подготовки 4s lipo батарей полюсов всё чаще используются технологии онлайн-обнаружения, чтобы эффективно выявлять производственные дефекты продукции, устранять бракованные изделия и своевременно передавать обратную связь на производственную линию для автоматической или ручной корректировки производственного процесса, снижая уровень дефектов.
В следующей части CNHL, производитель литиевых 4s lipo батарей, кратко представит новый метод технологии обнаружения дефектов поверхности литиевой 4s lipo батареи — инфракрасную тепловизионную технологию и связь между этими различными дефектами и электрохимическими характеристиками. Подробнее об этом исследовании см. у D. Mohanty и др.

1 Распространённые дефекты на поверхности полюсов литиевой 4s lipo батареи

Рисунок 1 — распространённый дефект на поверхности полюса литиевой 4s lipo батареи, слева — оптическое изображение, справа — изображение, снятое тепловизором.

Рис. 1 Распространённые дефекты на поверхности полюса: (a, b) Возвышающиеся мешки/агломераты; (c, d) Пропуски/поры; (e, f) Металлические посторонние тела; (g, h) Неравномерное покрытие
(a, b) Возвышающиеся комки/агломераты, такие дефекты могут возникать при неравномерном перемешивании суспензии или нестабильной скорости подачи покрытия. Агломерация связующего и углеродного черного проводящего агента приводит к низкому содержанию активного вещества и лёгким полюсам.
(c, d) Пропуски/поры, эти дефектные участки не покрыты и обычно образуются воздушными пузырьками в суспензии. Они уменьшают количество активного материала и обнажают токосъёмник к электролиту, тем самым снижая электрохимическую ёмкость.
(e, f) Металлические посторонние включения, металлические посторонние включения, попадающие в суспензию или оборудование и окружающую среду, очень вредны для литиевой 4s lipo батареи. Частицы металла большего размера напрямую прокалывают сепаратор, вызывая короткое замыкание между положительным и отрицательным электродами, что является физическим коротким замыканием. Кроме того, когда металлические посторонние включения смешиваются с положительным электродом, потенциал положительного электрода увеличивается после зарядки, металл растворяется, диффундирует через электролит, затем осаждается на поверхности отрицательного электрода и в конечном итоге прокалывает диафрагму, образуя короткое замыкание, которое является химическим коротким замыканием. Наиболее распространённые металлические посторонние тела на заводе по производству 4s lipo батарей — Fe, Cu, Zn, Al, Sn, SUS и др.
(g, h) Неравномерное покрытие, например, при недостаточном смешивании суспензии, при крупной дисперсности частиц могут появляться полосы, что приводит к неравномерному покрытию, влияющему на однородность емкости 4s lipo батареи, а иногда полосы выглядят как отсутствие покрытия вовсе. Эти полосы влияют как на емкость, так и на безопасность.

2 Технология обнаружения дефектов поверхности полюсных элементов литиевых 4s lipo батарей

Инфракрасная (IR) тепловизионная съемка используется для обнаружения мелких дефектов на сухих полюсных элементах, которые могут повредить характеристики литиевых 4s lipo батарей. Во время онлайн-инспекции, если обнаруживаются дефекты электродов или загрязнения, они отмечаются на полюсных элементах, удаляются на последующих этапах и возвращаются на производственную линию для своевременной корректировки процесса с целью устранения дефектов. Инфракрасное излучение — это электромагнитная волна, по своей природе аналогичная радиоволнам и видимому свету. Использование специального электронного устройства для преобразования температурного распределения поверхности объекта в изображение, видимое человеческому глазу, и отображения температурного распределения поверхности объекта в разных цветах называется технологией инфракрасной тепловизионной съемки, а это электронное устройство называется инфракрасным тепловизором. Все объекты с температурой выше абсолютного нуля (-273°C) излучают инфракрасное излучение.
Как показано на рисунке 2, инфракрасный тепловизор (IR Camera) использует инфракрасный детектор и оптический объектив для получения распределения энергии инфракрасного излучения измеряемого объекта и отображения его на фоточувствительном элементе инфракрасного детектора для получения инфракрасного теплового изображения. Это тепловое изображение соответствует полю теплового распределения на поверхности объекта. При наличии дефектов на поверхности объекта в этой области происходит температурный сдвиг. Поэтому эта технология также может использоваться для обнаружения дефектов на поверхности объекта, особенно для тех дефектов, которые невозможно выявить оптическими методами. При онлайн-тестировании сухого полюсного элемента литиевой 4s lipo батареи сначала полюсный элемент облучается вспышечной лампой, поверхность меняет температуру, затем температура поверхности фиксируется тепловизором. Тепловое распределение визуализируется, изображение обрабатывается и анализируется в реальном времени, дефекты поверхности обнаруживаются и своевременно отмечаются. Исследование Д. Моханти установило тепловизор на выходе сушильной печи покрытия для обнаружения температурного распределения на поверхности полюсного элемента.
Рисунок 2. Схематическое изображение внешнего вида поверхности полюсного элемента, зафиксированное тепловизором

Рисунок 3(a) — распределение температуры поверхности покрытия катода NMC, зафиксированное тепловизором, содержащее очень маленький дефект, который неразличим невооружённым глазом. Кривая распределения температуры, соответствующая отрезку линии на пути, показана на вставке, где на месте дефекта наблюдается температурный пик.
В блоке, соответствующем изображению на рис. 3(b), температура локально повышается, что соответствует дефекту на поверхности полюсного элемента.
Рисунок 4 — график распределения температуры поверхности отрицательного полюсного элемента, показывающий наличие дефектов, где пики с повышенной температурой соответствуют пузырькам или агломератам, а области с пониженной температурой — сквозным отверстиям или пропускам.

Рисунок 3. Распределение температуры на поверхности положительного электрода по данным тепловизора
Рисунок 4. Распределение температуры на поверхности отрицательного полюсного элемента по данным тепловизора
Можно видеть, что тепловизионное обнаружение распределения температуры — хороший метод для выявления дефектов поверхности полюсных элементов и может использоваться для контроля качества изготовления полюсных элементов.

3 Влияние дефектов поверхности полюсного элемента литиевого 4s lipo аккумулятора на характеристики 4s lipo аккумулятора

(1) Влияние на ёмкость при нагрузке и кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора

Рисунок 5 — кривая влияния агломератов и сквозных отверстий на ёмкость при нагрузке и кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора. Агломераты на самом деле могут увеличить ёмкость 4s lipo аккумулятора, но снизят кулоновскую эффективность. Сквозные отверстия уменьшают ёмкость и кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора, при этом кулоновская эффективность значительно падает при высоких нагрузках.

Рис.5 Влияние положительных агломератов и сквозных отверстий на ёмкость при нагрузке и кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора

Рис.6 — кривая влияния неравномерного покрытия и металлических инородных тел Co и Al на скоростную емкость и кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора. Неравномерное покрытие снижает удельную емкость 4s lipo аккумулятора на 10%-20%, но емкость всего 4s lipo аккумулятора упала на 60%, что показывает значительное снижение качества живых элементов в полюсной пластине. Металлическое инородное тело Co снижает емкость и кулоновскую эффективность, и даже при высоких скоростях 2C и 5C емкость отсутствует полностью, что может быть связано с образованием сплавов металла Co в электрохимической реакции, что препятствует делитиации и интеркаляции лития, или может быть вызвано блокировкой пор сепаратора металлическими частицами, вызывая микрокороткие замыкания.
Рис.6 Влияние неравномерного покрытия катода и металлических инородных тел Co и Al на скоростную емкость и кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора
Сводка дефектов положительной полюсной пластины: Агломераты в покрытии положительной полюсной пластины снижают кулоновскую эффективность 4s lipo аккумулятора. Проколы в покрытии катода снижают кулоновскую эффективность, что приводит к плохой скоростной производительности, особенно при высоких плотностях тока. Неравномерные покрытия показывают плохую скоростную производительность. Контаминация металлическими частицами может вызвать микрокороткие замыкания, что значительно снижает емкость 4s lipo аккумулятора.

(2) Результаты влияния поверхностных дефектов полюсной пластины на циклы разряда батареи суммированы следующим образом:

Агломерация: при 2C сохраняемость емкости 4s lipo аккумулятора с неповрежденной полюсной пластиной составляет 70% после 200 циклов, а у дефектного 4s lipo аккумулятора — 12%. При 5C сохраняемость емкости неповрежденного 4s lipo аккумулятора составляет 50% после 200 циклов, а у дефектного — 14%.
Прокол: Спад емкости очевиден, но не так быстр, как при дефекте агломерата. Сохраняемость емкости при 2C и 5C после 200 циклов составляет соответственно 47% и 40%.
Металлическое инородное тело: Емкость металлического инородного тела почти равна 0 после нескольких циклов, и емкость алюминиевой фольги с металлическим инородным телом при 5C значительно снижается.
Протекающие полосы фольги: При одинаковой площади протечки фольги, по сравнению с большой полосой (сохраняемость емкости 47% после 200 циклов при 5C), емкость 4s lipo аккумулятора с несколькими маленькими полосами снижается быстрее (сохраняемость емкости после второго цикла 200 циклов при 5C составляет 7%). Это показывает, что чем больше количество полос, тем сильнее влияние на цикл 4s lipo аккумулятора.
Итак, выше приведено полное содержание типов дефектов полюсных пластин 4s lipo аккумулятора, их влияние и методы обнаружения, которые CNHL представил вам сегодня. Я верю, что после прочтения всего текста понимание полюсной пластины 4s lipo аккумулятора у всех углубилось. Больше информации о литиевых батареях постоянно обновляется, увидимся в следующем выпуске.