Zelfontlading van lithiumbatterijen: oorzaken, testmethoden en preventie

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in elektrische voertuigen, energieopslagsystemen, elektrische gereedschappen, laptops en draagbare elektronische apparaten.individuele cellen worden in serie of parallel aangesloten om batterijmodules en -pakketten te vormen.

Voor een batterijpakket wordt de prestaties van de eindpakket echter niet alleen bepaald door de best presterende cel.De consistentie van de cel is een van de belangrijkste factoren die van invloed zijn op de batterijverpakkingscapaciteit, levensduur en veiligheid.

Een belangrijke factor die de celconsistentie kan verminderen iszelfontlading.

Wanneer een volledig opgeladen lithium-ioncel wordt opgeslagen zonder een externe belasting, kan de spanning en de ladingstoestand (SOC) geleidelijk dalen.Als cellen in hetzelfde batterijpakket aanzienlijk verschillende zelfontladingspercentages hebben, kan hun SOC tijdens de opslag steeds onevenwichtigder worden, wat van invloed kan zijn op de verpakkingscapaciteit, de levensduur en de veiligheid.

In dit artikel worden de belangrijkste oorzaken van zelfontlading van lithiumbatterijen, gemeenschappelijke zelfontladingstestmethoden,en praktische benaderingen voor de controle van zelfontlading tijdens de productie van lithiumbatterijen.

Zelfontlading van lithiumbatterijen verwijst naar het geleidelijke verlies van opgeslagen energie wanneer een batterij niet is aangesloten op een externe belasting.

De batterij dient tijdens de opslag een relatief stabiele open-circuitspanning (OCV) te behouden.interne chemische reacties en kleine lekstromen kunnen geleidelijk actief lithium verbruiken en de opgeslagen energie van de batterij verminderen.

Het zelfontladingspercentage wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder:

• Chemie van batterijen en elektroden
• Staat van de lading (SOC)
• Bergingstemperatuur
• Reacties van de elektrolyten en elektroden
• Vocht en onzuiverheden
• De toestand van de scheider
• Vervaardigingsfouten
• Interne micro-kortsluitingen

Voor batterijfabrikanten is het meest belangrijke vraagstuk vaak niet alleen of een cel zelfontlading heeft, maar ook of de batterij zelfontlading heeft.of verschillende cellen aanzienlijk verschillende zelfontladingspercentages hebben.

Daarom is het testen van zelfontlading nauw verbonden met de indeling van lithiumbatterijcellen en de consistentie van de batterij.

De zelfontlading van lithium-ionbatterijen kan in het algemeen worden geassocieerd met twee belangrijke mechanismen:interne lekken of micro-kortsluitingenenelektrochemische bijwerkingen.

Een abnormale zelfontladingscel kan een kleine interne lekbaan hebben tussen de positieve en negatieve elektroden.

Tot de mogelijke oorzaken behoren:

• Metalen deeltjes die tijdens de materiaalverwerking worden binnengebracht
• Elektrodeborrels die tijdens het snijden worden gegenereerd
• Elektrodestof of -afval
• Vreemde deeltjes die tijdens de celmontage binnendringen
• Schade aan de scheiding
• Plaatselijke afwijkingen tussen de elektrode en de scheider

Metalen besmetting is bijzonder belangrijk omdat bepaalde metalen deeltjes lokale geleidende paden kunnen creëren in de cel.Deze defecten kunnen bijdragen aan interne kortsluitingen.

Cellen die door interne micro-shorts worden aangetast, kunnen tijdens de opslag een aanzienlijk hogere spanningsdaling vertonen dan normale cellen.

Het tweede belangrijke mechanisme heeft te maken met chemische reacties die zich in de cel voordoen.

Voorbeelden hiervan zijn:

• Oxidatie of reductie van elektrolyten
• Continu vorming en herstel van de SEI-laag
• Reacties waarbij vocht en elektrolytcomponenten betrokken zijn
• Reacties tussen kathode en elektrolyt
• Afbraak van elektrode-materialen

Vocht is vooral belangrijk bij de productie van lithium-ionbatterijen.die de afbraak van de interface kan versnellen en actief lithium kan verbruiken.

In vergelijking met interne micro-korte defecten wordt chemische zelfontlading vaak sterker beïnvloed door temperatuur en celchemie.

Zelfontlading wordt vooral belangrijk wanneer veel cellen met elkaar verbonden zijn.

Stel je voor dat verschillende cellen dezelfde aanvankelijke capaciteit hebben, maar een enigszins andere zelfontladingssnelheid hebben.

Dit kan leiden tot:

Verschillende cellen kunnen na opslag verschillende spannings- en SOC-niveaus bereiken.

In een serie-aangekoppeld batterijpakket kan de zwakste of meest ontladen cel de beperkende cel worden tijdens het opladen en ontladen.

De bruikbare capaciteit van een batterijpakket wordt sterk beïnvloed door de samenhang van de cellen die worden gebruikt om het te monteren.

Cellen met abnormale zelfontladingskenmerken moeten daarom vóór de verpakking worden geïdentificeerd wanneer de toepassing een hoge consistentie vereist.

De producenten van batterijen moeten mogelijk verschillende testprocessen combineren, waaronder:

Dit proces helpt fabrikanten om abnormale cellen te identificeren voordat ze in de fase van het assembleren van batterijpakketten komen.

Zelfontlading kan vooral merkbaar worden wanneer batterijen weken of maanden worden opgeslagen.

Voor toepassingen zoals EV-batterijen, energieopslagsystemen, back-up-energiesystemen en industriële batterijpakketten is een consistente opslagprestatie belangrijk voor een lange termijnbetrouwbaarheid.

Een gebruikelijke aanpak is het vergelijken van de elektrische parameters van de batterij vóór en na een gecontroleerde opslagperiode.

De basisprocedure kan bestaan uit:

De exacte testomstandigheden zijn afhankelijk van de batterijchemie, het celontwerp, de SOC, de temperatuur en de kwaliteitscontrole van de fabrikant.

De test moet beginnen met een gecontroleerde en consistente SOC.

Verschillende SOC-punten kunnen verschillende spanningsresponsen produceren, zodat fabrikanten een geschikte SOC moeten selecteren op basis van de batterijchemie en het testdoel.

Belangrijker nog, alle cellen die worden vergeleken, moeten onder dezelfde omstandigheden worden getest.

Onmiddellijk na het opladen kan de gemeten spanning worden beïnvloed door polarisatie.

Daarom moeten de cellen normaal gesproken gedurende een bepaalde periode rusten voordat de eerste OCV-meting plaatsvindt.

Voor laboratoriumonderzoeken kan een langere rustperiode helpen de herhaalbaarheid van de meting te verbeteren.

Temperatuur heeft een belangrijke invloed op zelfontlading en elektrochemische reacties.

Om deze reden moeten zelfontladingstests onder gecontroleerde omgevingsomstandigheden worden uitgevoerd.

Belangrijke parameters zijn:

• Omgevingstemperatuur
• Bergingstermijn
• SOC
• Aanvankelijke spanning
• Eindspanning
• Celtemperatuur
• nauwkeurigheid van de meetapparatuur

Na de gespecificeerde opslagperiode wordt de celspanning opnieuw gemeten.

Een eenvoudige vergelijking kan als volgt worden uitgedrukt:

Voor een meer gedetailleerde analyse kunnen de fabrikanten de spanningsverandering over een bepaalde opslagperiode berekenen:

Deze waarde moet samen met de batterijchemie, SOC, temperatuur en testomstandigheden worden geïnterpreteerd in plaats van als een universele pass/fail limiet te worden gebruikt.

Zelfontladingstests en cellencategorisatie zijn gerelateerd, maar het is niet precies hetzelfde proces.

Cellenindelingbeoordeelt voornamelijk parameters zoals:

• Capaciteit
• Laadprestaties
• Afvoerprestaties
• Spanning
• Cycluskenmerken

Het doel is cellen met vergelijkbare elektrische eigenschappen in dezelfde klasse te classificeren.

EenLithiumcellen classificatie machinekan gecontroleerde lading- en ontladingstests uitvoeren op meerdere cellen en parameters zoals spanning, stroom, capaciteit en testtijd registreren.

De lithiumcellencategorisatieapparatuur van ACEY ondersteunt bijvoorbeeld onafhankelijke kanaalcontrole, lading/ontladingstests, gegevensopname en cellenclassificatie.Sommige modellen ondersteunen ook energiefeedback om het energieverbruik tijdens ontladingstests te verminderen.

Voor fabrikanten die cilindrische batterijpakketten assembleren:een 5V 20A 256-kanaals lithiumcellencategoriseringsmachine kan worden gebruikt voor laad-/ontladingstests en capaciteitsclassificatie van cellen met een diameter van ongeveer 18 ∼32 mm en een lengte van 65 ∼140 mm.

Voor prismatische lithiumbatterijen biedt ACEY ook 5V 30A 128-kanaalbatterijladingsontladingstesterontworpen voor capaciteitsclassificatie en lading/ontladingstests van prismatische cellen.

Voor prismatische batterijtesttoepassingen met een hogere stroom ondersteunt het 5V 300A 16-kanaalsysteem ladings- en ontladingsstromen tot 300A en biedt het onafhankelijke kanaalbesturing en gegevensanalyse.

Deze systemen kunnen derhalve worden gebruikt als een belangrijk onderdeel van een breder kwaliteitscontroleproces voor batterijcellen.

De meest effectieve aanpak is het beheersen van zelfontlading in de productiefase in plaats van alleen op de eindinspectie te vertrouwen.

Metalenverontreiniging moet tijdens de voorbereiding van de grondstof en de vervaardiging van elektroden worden gecontroleerd.

Tot de mogelijke bestrijdingsmaatregelen behoren:

• Inspectie van grondstoffen
• Detectie van magnetische metaalverontreiniging
• Filtratie van slijm
• Inspectie van elektrodeoppervlak
• Reiniging van apparatuur
• Controle van vreemde deeltjes

Bijzondere aandacht moet worden besteed aan metalen deeltjes die geleidende paden in de cel kunnen creëren.

Het snijden en hanteren van elektroden kan borsten en deeltjes veroorzaken.

De fabrikanten moeten optimaliseren:

• Snijparameters
• Toestand van het snijgereedschap
• Elektrodehandeling
• Wikkel- of stapelprocessen
• Verzameling van stof
• Reiniging van de productielijn

Het verminderen van deeltjes en buigen kan helpen de mogelijkheid van interne afwijkingen te minimaliseren.

Vochtbeheersing is een ander belangrijk onderdeel van de productie van lithiumbatterijen.

Tot de aanbevolen maatregelen behoren:

• Gepaste drooging van elektroden
• Gecontroleerde droogtemperatuur en -tijd
• Regeling van de luchtvochtigheid in de droge ruimte
• Minimaliseer de blootstellingstijd na het drogen
• Beheersing van de voeding van elektrolyten
• Vermindering van onnodige WIP-opslag
• Controle van het vochtgehalte van het materiaal vóór montage

Een consistente vochtcontrole helpt ongewenste reacties van elektrolyten en elektroden te verminderen.

Vorming en veroudering zijn belangrijke fasen voor het vaststellen van stabiele elektrochemische kenmerken.

Tijdens de productie kunnen fabrikanten toezicht houden op:

• Vormingsspanning
• Laadstroom
• Ontladingsstroom
• Celtemperatuur
• Rusttijd
• Veranderingen in de OCV
• Capaciteit
• Interne weerstand

Abnormale cellen die tijdens deze fasen worden geïdentificeerd, kunnen worden gescheiden voordat ze in het batterijpak assemblageproces komen.

De capaciteit alleen geeft niet een volledig beeld van de celconsistentie.

Een praktisch productieproces voor batterijpakketten kan derhalve:

Deze aanpak is met name nuttig voor cilindrische en prismatische batterijpakketten, waarbij de consistentie van de cel rechtstreeks van invloed is op de prestaties van het pakket.

Lithiumbatterij zelfontlading wordt veroorzaakt door een combinatie van interne lekken, micro-korte defecten en elektrochemische bijreacties.materialen, productiekwaliteit, SOC, temperatuur en opslagomstandigheden.

Voor de batterijfabrikanten is het beheersen van de zelfontlading niet alleen een kwestie van het meten van de spanning na opslag.

• Beheersing van metaalverontreiniging
• Vermindering van elektrodeborrels en deeltjes
• Beheersing van vocht
• Optimalisatie van de vorming en veroudering
• Uitvoering van nauwkeurige laad-/ontladingstests
• Indeling van cellen op basis van hun elektrische eigenschappen
• Combinatie van capaciteit, OCV en IR-sorting vóór verpakking

Een betrouwbare lithiumcelclassificatiemachine kan een belangrijke rol spelen in dit proces door gecontroleerde lading/ontladingstests, nauwkeurige gegevensverzameling en geautomatiseerde celclassificatie te bieden.

Door de controle van het productieproces te combineren met systematische batterijtests kunnen fabrikanten de consistentie van de cellen verbeteren en betrouwbaarder lithium-ionbatterijpakketten bouwen voor EV's, ESS's, elektrische gereedschappen,en andere toepassingen.

Zelfontlading van lithiumbatterijen is het geleidelijke verlies van opgeslagen energie wanneer een batterij niet is aangesloten op een externe belasting.in abnormale cellen, interne lekken of micro-kortsluitingen.

Een gebruikelijke methode is cellen op te laden op een gecontroleerde SOC, de polarisatie te laten herstellen, de oorspronkelijke OCV te meten, de cellen onder gecontroleerde omstandigheden op te slaan en vervolgens de OCV opnieuw te meten.De spanningsverandering gedurende de opslagperiode kan worden gebruikt als indicator van het zelfontladingsgedrag.

Een cellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencellencapaciteit, en dataregistratiefuncties kunnen een belangrijk onderdeel zijn van een breder celconsistentie- en kwaliteitscontroleproces.

Cellen met verschillende capaciteiten, interne weerstand of zelfontladingskenmerken kunnen toenemend onevenwichtig worden wanneer ze in serie of parallel worden aangesloten.Betere combinatie van cellen helpt de prestaties van batterijen te verbeteren, bruikbare capaciteit en betrouwbaarheid op lange termijn.