鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:2698次 | 2020年10月13日
詳解磷酸鐵鋰離子電池老化機(jī)理
1、將磷酸鐵鋰離子電池置于高溫或常溫下一段時(shí)間,可以保證電解液能夠?qū)O片進(jìn)行充分的浸潤(rùn),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(fù)極會(huì)形成一定的量的SEI膜,但是這個(gè)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(xué)性能快速達(dá)到穩(wěn)定。
4、剔除自放電嚴(yán)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(gè)重要的目的。磷酸鐵鋰離子電池貯存過程中開路電壓會(huì)下降,但幅度不會(huì)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(xué)自放電。從自放電對(duì)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(bǔ)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(xué)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(gè)方面:(1)化學(xué)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(fù)極材料表面膜層的變化;電極熱力學(xué)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(fù)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(shí),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(jì)算方法為兩次測(cè)試的開路電壓差除以兩次電壓測(cè)試的時(shí)間間隔△t,公式為:K=(OCV2-OCV1)/△t。
極片上的顆?;蛭⒘拷饘贇?jiān)?、隔膜上的微小缺陷、電芯在組裝過程中引入的粉塵等,都會(huì)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(cè)試:通過精確計(jì)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(fù)極之間短路,這是物理短路。另外,當(dāng)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(kuò)散,然后負(fù)極低電位下溶解的金屬再在負(fù)極表面析出堆積,最終刺穿隔膜,形成短路,這是化學(xué)溶解短路。磷酸鐵鋰離子電池廠現(xiàn)場(chǎng)最常見的金屬異物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、SUS等。
面對(duì)如此復(fù)雜的金屬異物,制造現(xiàn)場(chǎng)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(hù),對(duì)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(cè)中,注液前磷酸鐵鋰離子電池通過耐電壓測(cè)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(shí)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(gè)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(shí)間。
在一定的溫度條件下,K跟時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示。溫度一按時(shí),K隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。這只是表示磷酸鐵鋰離子電池的自放電率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而減小,但在一按時(shí)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(chǔ)時(shí)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(fù)極的析出過程,也會(huì)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(zhǎng)時(shí)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(jìn)程,節(jié)省時(shí)間和生產(chǎn)成本。