Pil Elektrotlarındaki Çapakların Neden Olduğu Kısa Devre Nasıl Tespit Edilir

Bu makale sıfır voltajın nedenlerini analiz eder. Elektrot çapaklarının neden olduğu aküdeki sıfır voltaj olgusuna odaklanmıştır. Kısa devrenin nedenini belirleyerek sorunu kesin olarak çözmeyi ve üretim sırasında elektrot çapaklarını kontrol etmenin önemini daha iyi anlamayı amaçlıyoruz.

Deney

1. Pil hazırlığı

Bu deneyde pozitif aktif malzeme olarak lityum nikel kobalt manganat malzemesi (NCM111) kullanılmıştır. Pozitif aktif malzemeyi, SP karbon siyahını, PVDF bağlayıcıyı ve NMP çözücüsünü 66:2:2:30 kütle oranında karıştırarak bir bulamaç haline getirin. Bulamaç, 15 μm kalınlığında karbon kaplı alüminyum folyoya kaplanır ve bir taraftaki kaplama miktarı 270 g/m2'dir. Pozitif elektrodu 24 saat boyunca kuruması için (120±3) derecelik bir sıcaklıktaki fırına yerleştirin ve ardından elektrodun sıkıştırılmış yoğunluğunu 3,28g/cm3 yapmak için takvimleme işlemi gerçekleştirilir. Negatif aktif malzeme lityum titanat malzemesi Li4Ti5O12 kullanır. Negatif aktif malzemeyi, SP karbon siyahı iletken maddesini, PVDF bağlayıcıyı ve NMP çözücüsünü 52:2:2:44 kütle oranına göre karıştırarak bir bulamaç haline getirin. Anot bulamacı 15 μm kalınlığında karbon kaplı alüminyum folyo üzerine kaplanır ve bir taraftaki kaplama miktarı 214 g/m2'dir. Negatif elektrodu 24 saat kuruması için (110±3) derecelik bir sıcaklıktaki fırına yerleştirin ve ardından elektrot parçasının sıkıştırılmış yoğunluğunu 1,85 g/cm3 yapmak için bir haddeleme işlemi gerçekleştirin. Kurutulmuş elektrot (136,0±1,0) mm genişliğinde parçalara kesilir ve elektrot çapakları 12 μm'yi geçmemelidir. Elektrolit 1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC (hacim oranı 1:1:1) kullanır. Ayırıcı 20 μm kalınlığında polietilen (PE) gözenekli bir ayırıcıdır. Yukarıdaki malzemeler 45Ah tasarım kapasiteli 66160 hücreye monte edilir. Sarma ve montaj işlemlerinin ardından alüminyum kabuğun üst kapağı kaynaklanarak kapatılmış ve deney hücreleri (85±3) derece sıcaklıktaki bir fırına yerleştirilerek 24 saat boyunca kurumaya bırakılmıştır.

Kurutulduktan sonra, pil hücreleri dolduruldu ve elektrolit miktarı 200g'dır. Elektrolit doldurulduktan sonra, hücreler 72 saat boyunca oda sıcaklığında bekletildi. Bekletildikten sonra, tüm deneysel hücreler açık devre voltajı (OCV) için test edildi ve pilin iç direnci ve voltajı kaydedildi.

2. Şarj testi

Dahili direnç ve voltaj analizi yaparken, test için bir AC dahili direnç test cihazı kullanın. Pilin şarj performansını test etmek için 5V-50A yüksek hassasiyetli pil performans test sistemini kullanın. Doldurulduktan sonra bekletilen hücreler için, bir voltaj testi gerçekleştirirken, önce hücreyi kısa devre yaparak voltajını sıfır voltajlı bir hücre olan 0 değerine düşürün.

Daha sonra sıfır voltajlı hücrede bir şarj testi gerçekleştirin. Ortam sıcaklığı (25±3) derece olduğunda, şarj için farklı akımlar (örneğin 1A, 2A ve 3A) kullanılır. Deneyler akım küçükten büyüğe ve zaman kısadan uzuna doğru olacak şekilde gerçekleştirildi. Şarj süresi sırasıyla 5 saniye, 10 saniye ve 25 saniye olarak ayarlandı. Her şarj süresinden sonra pil voltajındaki değişiklikleri gözlemleyin.

3.Kendiliğinden deşarj testi

Elektrot çapak analizi için iki boyutlu bir test cihazı kullanın. Dahili direnç ve voltaj analizi için bir AC dahili direnç test cihazı kullanın. Elektrik performansını test etmek için 5V-50A yüksek hassasiyetli pil performans test sistemi kullanın. Hücre sıcaklığını kontrol etmek için yüksek ve düşük sıcaklık kutusu kullanın. Oluşumdan önceki sıfır voltajlı hücreler şarj edildikten sonra çapak sigortalanır ve sıfır voltaj artık görünmez. Bu pilin normal oluşum sürecini test edin. Oluşum süreci şu şekildedir:

①Yüksek sıcaklık kutusunun sıcaklığı 120 dereceye ulaştığında 120 dakika bekleyin.

②2.8V kesme voltajına kadar 1.0 kez C akımıyla şarj edin, ardından sabit voltaj şarjına geçin. Şarj kesme süresi 2 saattir.

③10 dakika bekleyin.

④ 1.5V kesme voltajına kadar 1.0 kez C akımıyla deşarj edin ve ardından sabit voltaj deşarjına geçin. Deşarj kesme süresi 2 saattir.

⑤10 dakika bekleyin.

⑥2. adımı 5 3 kez tekrarlayın.

⑦ 1.0 kez C akımıyla şarj edin, şarj süresi 0.7 saattir, ardından 2.3V sabit voltajla şarj edin, kesme akımı 0.45A'dır. Oluşan hücrelerde kendi kendine deşarj testi yapın. Statik voltajı test etme yöntemini kullanın ve voltajı en az iki ay boyunca test edin. Hücreler oda sıcaklığında (25±5) derecede 24 saat bekletildikten sonra, açık devre voltajı test edilir ve kaydedilir. Daha sonra, hücreler bir ay ve iki ay oda sıcaklığında durmaya devam etti ve ardından açık devre voltajı tekrar test edildi ve kaydedildi.

Sonuçlar ve tartışma

1. Oluşum öncesi akü voltajının karşılaştırılması

Şekil 1, 1A ve 2A şarj sırasında ve şarj durdurulduktan sonra pil voltajındaki değişiklikleri göstermektedir. Şekilden, sıfır voltajlı bir pilin yaklaşık olarak dahili çapaklardan kaynaklanan bir kısa devre olarak kabul edilebileceği görülebilir. Pil, 1 dakika içinde 2A'dan daha düşük bir akım testine dayanabilir. Şarj akımı 1A ve 2A olduğunda, dahili çapaklardan kaynaklanan kısa devre nedeniyle voltaj sabit bir değere ulaşır ve artık değişmez. Şarj durdurulduğunda, voltaj hızla 0 değerine geri döner.

Şarj akımını artırmaya devam edin, şarj akımını 3A'ya değiştirin ve şarj süresini sırasıyla 5s, 10s ve 25s olarak ayarlayın. Pil şarj test eğrisi Şekil 2'de gösterilmiştir.

Şekil 2'deki gözleme göre, şarj akımı 3A'ya ulaştığında, pilin voltaj değişimi 5 saniye ve 10 saniyelik şarj süresi altında 1A ve 2A şarjına benzerdir. Şarj süresi uzadıkça, şarj süresi 10 saniyeyi aştığında, voltaj yavaşça yükselir. Şarj süresi 20 saniyeye ulaştığında, voltaj hızla yükselir. Şarj durduktan sonra, voltaj yavaşça düşer ve önceki sıfır voltaj fenomeni kısa bir süre içinde ortaya çıkmaz.

Şarj sırasında voltaj değişim hızına dayanarak, şarj sırasında oluşan ısı nedeniyle pilin içindeki çapakların termal olarak kaynaştığı sonucuna varılabilir. Çapaklar kaynaşmadan önce, voltaj şarj başladıktan sonra 10 ila 20 saniye içinde yavaşça yükselen bir aşama gösterir.

20 saniye sonra çapak kaynar ve akü voltajı hızla yükselir. Şarjı durdurduktan sonra akü voltajı yavaşça azalır. Çapak kaynadıktan sonra metal kirliliklerinin akü içinde kalmaya devam ettiğini ve bunun normal akülerden daha hızlı kendi kendine deşarj olmasına neden olduğunu belirtmekte fayda var. Bu nedenle aküyü normalleştirdikten sonra kendi kendine deşarj oranını test etmek gerekir.

2. Oluşumdan sonra pilin kendi kendine deşarjının karşılaştırılması

Deney için seçilen pil, yukarıdaki oluşum sürecine göre şarj edildi ve deşarj edildi. ⑦ adımından sonra, pilin şarj durumu (SOC) yaklaşık %80 idi. Pilin kendi kendine deşarj testi oda sıcaklığında gerçekleştirildi ve aynı partiden gelen safsızlıkları içeren pillerle karşılaştırıldı. Test verileri Tablo 1'de gösterilmiştir.

Tablo 1'den, çapakların neden olduğu pil kendi kendine deşarjının var olduğu ve pilin şarj tutma kapasitesi üzerinde bir etkisi olduğu görülebilir. Şarj akımı yoluyla kendi kendine deşarj anormalliklerinin nedenlerinin analiz edilmesi, üretim süreci sırasında elektrot çapaklarının anormal durumunu sezgisel olarak yansıtabilir.

Bu, üretim süreci boyunca proses kontrol gerekliliklerini daha da güçlendirmenin ve pil performansını garantilemek ve güvenlik tehlikelerini azaltmak için kesiciyi zamanında bakım yapmanın gerekli olduğunu göstermektedir. Çapak üflendikten sonra, elektrotun içinde hala metal kirlilikleri vardır.

Pil kapasitesi ölçüldükten sonra kendi kendine deşarj verilerine göre, normal bir pilin bir ay oda sıcaklığında bırakılmasının ardından voltajın yaklaşık 7 mV düştüğü; iki ay sonra voltajın yaklaşık 10 mV düştüğü sonucuna varılabilir. Bu, aşırı çapaklı pillerin kendi kendine deşarj oranının normal pillerden daha fazla olduğunu göstermektedir. Oluşum öncesi voltaj ve kapasite bölünmesinden sonra kendi kendine deşarj verilerinin analizi dikkate alındığında, aşırı çapakların anormal pil şarj tutma performansına yol açacağı sonucuna varılabilir. Pil elektrotlarında bulunan çapaklar tamamen kaybolmayacak ve uzun vadede pilin performansını etkileyecektir.

Özetle çapaklar pil performansını olumsuz yönde etkilediğinden, pil performansını ve güvenliğini sağlamak için üretim sürecinde çapak oluşumunu azaltacak önlemlerin alınması gerekmektedir.

Çözüm

Pil üretim sürecinde, elektrot çapaklarının boyutunu kontrol etmek önemli bir parametredir. Bir çapak kısa devreye neden olduğunda, pilin voltajı doldurulduktan sonra 0 olur. Bir çapak nedeniyle kısa devre yapmış bir pili küçük bir akımla şarj ederek, kararlı bir voltaj gözlemlenebilir. Akım çapak sigorta değerine ulaştığında, pilin içinde hala metal kirlilikleri bulunur ve bu da pilin kendi kendine deşarjını etkilemeye devam eder ve normal pillerden daha yüksek bir kendi kendine deşarj oranına neden olur. Bu yöntem, pil üretimi sırasında çapaklardan kaynaklanan pil kısa devrelerini belirlemek için kullanılabilir. Voltajdaki değişiklikleri gözlemleyerek, büyük miktarda niteliksiz pil üretimini önlemek için pil üretim süreci sırasında kesme, kalıp kesme ve sarma ekipmanlarının denetimlerinin güçlendirilmesine rehberlik edebiliriz. Bu nedenle, çapak nedeniyle kısa devre yapmış pilleri düşük akımla şarj ederek ve voltaj değişikliklerini izleyerek, pil üretim sürecindeki sorunlar etkili bir şekilde tespit edilebilir ve pil kalitesini ve performansını sağlamak için ilgili süreç kontrollerine rehberlik edilebilir.