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詳解磷酸鐵鋰離子電池老化機理

鉅大LARGE  |  點擊量:2689次  |  2020年10月13日  

1、將磷酸鐵鋰離子電池置于高溫或常溫下一段時間,可以保證電解液能夠?qū)O片進行充分的浸潤,有利于磷酸鐵鋰離子電池性能的穩(wěn)定;


2、磷酸鐵鋰離子電池經(jīng)過預(yù)化成工序后,磷酸鐵鋰離子電池內(nèi)部石墨負極會形成一定的量的SEI膜,但是這個膜結(jié)構(gòu)緊密且孔隙小,將磷酸鐵鋰離子電池在高溫下進行老化,將有助于SEI結(jié)構(gòu)重組,形成寬松多孔的膜。


3、化成后磷酸鐵鋰離子電池的電壓處于不穩(wěn)定的階段,正負極材料中的活性物質(zhì)經(jīng)過老化后,可以促使一些副用途的加快進行,例如產(chǎn)氣、電解液分解等,讓鋰磷酸鐵鋰離子電池的電化學性能快速達到穩(wěn)定。


4、剔除自放電嚴重的不合格磷酸鐵鋰離子電池,便于篩選一致性高的磷酸鐵鋰離子電池。


其中,老化工藝篩選內(nèi)部微短路電芯是一個重要的目的。磷酸鐵鋰離子電池貯存過程中開路電壓會下降,但幅度不會很大,假如開路電壓下降速度過快或幅度過大屬異?,F(xiàn)象。磷酸鐵鋰離子電池自放電按照反應(yīng)類型的不同可以劃分為物理自放電和化學自放電。從自放電對磷酸鐵鋰離子電池造成的影響考慮,又可以將自放電分為兩種:損失容量能夠可逆得到補償?shù)淖苑烹姾陀谰眯匀萘繐p失的自放電。一般而言,物理自放電所導(dǎo)致的能量損失是可恢復(fù)的,而化學自放電所引起的能量損失則是基本不可逆的。磷酸鐵鋰離子電池的自放電來自兩個方面:(1)化學體系本身引起的自放電;這部分重要是由于磷酸鐵鋰離子電池內(nèi)部的副反應(yīng)引起的,具體包括正負極材料表面膜層的變化;電極熱力學不穩(wěn)定性造成的電位變化;金屬異物雜質(zhì)的溶解與析出;(2)正負極之間隔膜造成的磷酸鐵鋰離子電池內(nèi)部的微短路導(dǎo)致磷酸鐵鋰離子電池的自放電。


磷酸鐵鋰離子電池


磷酸鐵鋰離子電池在老化時,K值(電壓降)的變化正是電極材料表面SEI膜的形成和穩(wěn)定過程,假如電壓降太大,說明內(nèi)部存在微短路,由此可判定磷酸鐵鋰離子電池為不合格品。K值是用于描述電芯自放電速率的物理量,其計算方法為兩次測試的開路電壓差除以兩次電壓測試的時間間隔△t,公式為:K=(OCV2-OCV1)/△t。


極片上的顆?;蛭⒘拷饘贇堅⒏裟ど系奈⑿∪毕?、電芯在組裝過程中引入的粉塵等,都會造成電芯內(nèi)部微短路。關(guān)于微短路電芯,僅通過容量及一次電壓是無法完成篩選的,因此必須引入K值測試:通過精確計算其電壓降速率來判斷電芯是否存在微短路情況,如圖1所示。


金屬異物造成磷酸鐵鋰離子電池內(nèi)部短路的基本原理有兩種過程,如圖2所示。尺寸較大的金屬顆粒直接刺穿隔膜,導(dǎo)致正負極之間短路,這是物理短路。另外,當金屬異物混入正極后,充電之后正極電位升高,高電位下金屬異物發(fā)生溶解,通過電解液擴散,然后負極低電位下溶解的金屬再在負極表面析出堆積,最終刺穿隔膜,形成短路,這是化學溶解短路。磷酸鐵鋰離子電池廠現(xiàn)場最常見的金屬異物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、SUS等。


面對如此復(fù)雜的金屬異物,制造現(xiàn)場常采取措施防止異物混入磷酸鐵鋰離子電池產(chǎn)品,圖3所示。如電極漿料用電磁除鐵設(shè)備去除Fe等金屬雜質(zhì),極片分切或模切工序用毛刷等掃除切割毛刺,極耳或涂層邊緣貼膠帶保護,對容易出現(xiàn)金屬屑的工序(焊接)用集塵器吸附異物,等等。在過程檢測中,注液前磷酸鐵鋰離子電池通過耐電壓測試檢出內(nèi)部短路不合格品;老化工藝通過磷酸鐵鋰離子電池壓降ΔV檢出不合格品。


電壓降K值跟時間t、充電狀態(tài)以及溫度T成函數(shù)關(guān)系。因此,老化工藝重要有三個工藝參數(shù):(1)老化的磷酸鐵鋰離子電池充電狀態(tài),(2)老化保存溫度,(3)老化時間。


在一定的溫度條件下,K跟時間的關(guān)系曲線如圖4所示。溫度一按時,K隨靜置時間的延長而減小。這只是表示磷酸鐵鋰離子電池的自放電率會隨著時間的延長而減小,但在一按時間內(nèi)自放電的大小是一定的,這并沒有從本質(zhì)上改善自放電。


存儲時間一定的條件下,K值隨溫度的升高而增大。隨著溫度的升高,導(dǎo)致體系的活性增大,反應(yīng)速率加快,加速了活性鋰的損耗,甚至出現(xiàn)一些副反應(yīng)。金屬雜質(zhì)在正極的溶解和在負極的析出過程,也會隨著溫度升高加快。由于磷酸鐵鋰離子電池的內(nèi)部微短路要很長時間才能體現(xiàn)出來。因此,高溫老化能夠加速帥選不合格品的進程,節(jié)省時間和生產(chǎn)成本。


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