Lithium-Ionen-Akku Selbstentladung: Ursachen, Testmethoden und Prävention

Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in Elektrofahrzeugen, Energiespeichersystemen, Elektrowerkzeugen, Laptops und tragbaren elektronischen Geräten verwendet.Einzelzellen sind in Serie oder parallel miteinander verbunden, um Batteriemodule und -pakete zu bilden..

Bei einem Batteriepaket wird die Leistung des Endpakets jedoch nicht nur durch die leistungsfähigste Zelle bestimmt.Die Konsistenz der Zelle ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Batterie beeinflussenVerpackungskapazität, Lebensdauer und Sicherheit

Ein wichtiger Faktor, der die Zellkonsistenz verringern kann, istSelbstentladung.

Wenn eine voll geladene Lithium-Ionen-Zelle ohne äußere Belastung gelagert wird, können ihre Spannung und ihr Ladestand (SOC) allmählich abnehmen.Wenn Zellen in demselben Batteriepaket deutlich unterschiedliche Selbstentladungsraten aufweisen, kann ihr SOC während der Lagerung zunehmend unausgewogen werden, was sich auf die Packkapazität, die Lebensdauer und die Sicherheit auswirken kann.

In diesem Artikel werden die Hauptursachen für die Selbstentladung von Lithiumbatterien, gängige Selbstentladungsprüfmethoden,und praktische Ansätze zur Kontrolle der Selbstentladung während der Herstellung von Lithiumbatterien.

Lithiumbatterie-Selbstentladung bezieht sich auf den allmählichen Verlust gespeicherter Energie, wenn eine Batterie nicht mit einer externen Last verbunden ist.

Idealerweise sollte eine Batterie während der Speicherung eine relativ stabile Offenkreislaufspannung (OCV) aufrechterhalten.interne chemische Reaktionen und kleine Leckströme können allmählich aktives Lithium verbrauchen und die gespeicherte Energie der Batterie reduzieren.

Die Selbstentlassung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, darunter:

• Batteriechemie und Elektrodenmaterialien
• Zustand der Ladung (SOC)
• Lagertemperatur
• Elektrolyt- und Elektrodenseitenreaktionen
• Feuchtigkeit und Verunreinigungen
• Zustand des Trenners
• Herstellungsfehler
• Mikrokortschaltkreise

Für die Batteriehersteller ist oft nicht nur die Frage, ob eine Zelle selbstentladbar ist, die wichtigste, sondern auch die Frage, ob die Batterie selbst entladbar ist.ob unterschiedliche Zellen signifikant unterschiedliche Selbstentladungsraten aufweisen.

Daher hängt die Selbstentladungstestung eng mit der Einstufung der Lithiumbatteriezelle und der Konsistenz des Akkupacks zusammen.

Die Selbstentladung von Lithium-Ionen-Batterien kann im Allgemeinen mit zwei Hauptmechanismen in Verbindung gebracht werden:interne Leckagen oder Mikrokortschlüsseundelektrochemische Nebenwirkungen.

Eine abnormale Selbstentladungszelle kann zwischen den positiven und negativen Elektroden einen kleinen internen Leckageweg aufweisen.

Zu den möglichen Ursachen gehören:

• Metallpartikel, die während der Materialverarbeitung eingesetzt werden
• Elektrodenbrüche beim Schneiden
• Elektrodenstaub oder -abfälle
• Fremdpartikel, die während der Zellmontage eintreten
• Beschädigung des Trenners
• Lokale Defekte zwischen Elektrode und Separator

Metallkontamination ist besonders wichtig, weil bestimmte Metallpartikel lokalisierte leitfähige Pfade innerhalb der Zelle erzeugen können.Diese Defekte können zu internen Kurzschlüssen beitragen..

Zellen, die von internen Mikro-Shorts betroffen sind, können während der Speicherung einen deutlich höheren Spannungsabfall aufweisen als normale Zellen.

Der zweite wichtige Mechanismus hängt mit chemischen Reaktionen in der Zelle zusammen.

Beispiele sind:

• Oxidation oder Reduktion von Elektrolyten
• Kontinuierliche Bildung und Reparatur der SEI-Schicht
• Reaktionen mit Feuchtigkeit und Elektrolytbestandteilen
• Reaktionen an der Kathoden-Elektrolyt-Schnittstelle
• Abbau von Elektrodenmaterialien

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien ist Feuchtigkeit besonders wichtig. Überschüssiges Wasser kann mit Elektrolytbestandteilen reagieren und zur Bildung säurehaltiger Arten beitragen.die den Abbau der Schnittstellen beschleunigen und aktives Lithium verbrauchen kann.

Im Vergleich zu internen Mikrokurzfehlern wird die chemische Selbstentladung häufig stärker durch Temperatur und Zellchemie beeinflusst.

Selbstentladung wird besonders wichtig, wenn viele Zellen miteinander verbunden sind.

Stellen Sie sich vor, mehrere Zellen haben die gleiche Anfangskapazität, aber eine leicht unterschiedliche Selbstentladungsrate.

Dies kann zu folgenden Folgen führen:

Verschiedene Zellen können nach der Lagerung unterschiedliche Spannungs- und SOC-Level erreichen.

In einem seriell angeschlossenen Batteriepaket kann die schwächste oder am meisten entladene Zelle während des Lade- und Entladens zur begrenzenden Zelle werden.

Die nutzbare Kapazität eines Batteriepacks wird stark von der Konsistenz der Zellen beeinflusst, mit denen es zusammengesetzt wird.

Zellen mit abnormalen Selbstentladungsmerkmalen sollten daher vor dem Zusammenbau der Packung identifiziert werden, wenn die Anwendung eine hohe Konsistenz erfordert.

Batteriehersteller müssen möglicherweise mehrere Prüfverfahren kombinieren, darunter:

Dieser Prozess hilft den Herstellern, abnormale Zellen zu erkennen, bevor sie in die Bauphase des Batteriepacks eintreten.

Die Selbstentladung kann besonders bemerkenswert werden, wenn Batterien wochen- oder monatelang gelagert werden.

Für Anwendungen wie Elektrofahrzeugbatterien, Energiespeichersysteme, Sicherungssysteme und industrielle Batteriepacks ist eine gleichbleibende Speicherleistung für eine langfristige Zuverlässigkeit wichtig.

Ein allgemeiner Ansatz besteht darin, die elektrischen Parameter der Batterie vor und nach einer kontrollierten Lagerungsperiode zu vergleichen.

Das Grundverfahren kann Folgendes umfassen:

Die genauen Prüfbedingungen hängen von der Batteriechemie, dem Zelldesign, dem SOC, der Temperatur und den Qualitätskontrollanforderungen des Herstellers ab.

Die Prüfung sollte mit einem kontrollierten und konsistenten SOC beginnen.

Verschiedene SOC-Punkte können unterschiedliche Spannungsreaktionen erzeugen, daher sollten die Hersteller einen geeigneten SOC entsprechend der Batteriechemie und dem Prüfziel auswählen.

Noch wichtiger ist, dass alle zu vergleichenden Zellen unter den gleichen Bedingungen getestet werden.

Unmittelbar nach dem Aufladen kann die gemessene Spannung durch Polarisierung beeinflusst werden.

Daher sollten die Zellen normalerweise vor der ersten OCV-Messung für einen bestimmten Zeitraum ruhen lassen.

Bei Laboruntersuchungen kann eine längere Ruhezeit dazu beitragen, die Wiederholbarkeit der Messung zu verbessern.

Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Selbstentladung und die elektrochemischen Reaktionen.

Aus diesem Grund sollten Selbstentladungstests unter kontrollierten Umweltbedingungen durchgeführt werden.

Zu den wichtigen Parametern gehören:

• Umgebungstemperatur
• Aufbewahrungszeit
• SOC
• Anfangsspannung
• Endspannung
• Zelltemperatur
• Genauigkeit der Messgeräte

Nach Ablauf der angegebenen Speicherdauer wird die Zellspannung erneut gemessen.

Ein einfacher Vergleich kann wie folgt ausgedrückt werden:

Für eine detailliertere Analyse können die Hersteller die Spannungsänderung über eine bestimmte Speicherdauer berechnen:

Dieser Wert sollte zusammen mit der Batteriechemie, dem SOC, der Temperatur und den Prüfbedingungen interpretiert werden, anstatt als allgemeine Pass-/Fail-Grenzwerte verwendet zu werden.

Selbstentladungstests und Zellklassifizierung sind verwandt, aber sie sind nicht genau derselbe Prozess.

Zellklassifizierungin erster Linie Parameter wie:

• Kapazität
• Leistung der Ladung
• Leistung der Entladung
• Spannung
• Merkmale des Zyklus

Ziel ist es, Zellen mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften in die gleiche Klasse einzuordnen.

EineLithiumzellen-Klassifizierungsmaschinekann kontrollierte Ladungs- und Entladungstests an mehreren Zellen durchführen und Parameter wie Spannung, Strom, Kapazität und Prüfzeit aufzeichnen.

So unterstützt beispielsweise die Lithium-Zell-Grading-Ausrüstung von ACEY die unabhängige Kanalsteuerung, Lade-/Entladungstests, Datenerfassung und Zellklassifizierung.Einige Modelle unterstützen auch Energiefeedback, um den Energieverbrauch während der Entladungstests zu reduzieren.

Für Hersteller, die zylindrische Batteriepacks montieren,Eine 5V 20A 256-Kanal-Lithiumzell-Grading-Maschine kann für Ladungs-/Entladungstests und Kapazitätsklassifizierung von Zellen in einem Durchmesser von etwa 18~32 mm und einer Länge von etwa 65~140 mm verwendet werden.

Für prismatische Lithiumbatterien stellt ACEY auch 5V 30A 128-Kanal-Batterie-Ladenausladungsmessgerätfür die Kapazitätsklassifizierung und Ladungs-/Entladungstests von prismatischen Zellen ausgelegt.

Für Anwendungen zur Prüfung prismatischer Batterien mit höherem Strom kann das 5-Volt 300A 16-Kanal-System Ladungs- und Entladungströme bis zu 300A unterstützen und eine unabhängige Kanalsteuerung und Datenanalyse ermöglichen.

Diese Systeme können daher als wichtiger Bestandteil eines breiteren Qualitätskontrollprozesses für Batteriezellen verwendet werden.

Der effektivste Ansatz besteht darin, die Selbstentladung in der Fertigungsphase zu kontrollieren, anstatt sich nur auf die Endkontrolle zu verlassen.

Metallkontamination sollte während der gesamten Rohstoffvorbereitung und Elektrodenherstellung kontrolliert werden.

Zu den möglichen Kontrollmaßnahmen gehören:

• Inspektion der Rohstoffe
• Ermittlung magnetischer Metallkontaminationen
• Schlammfilterung
• Elektrodenoberflächenprüfung
• Reinigung der Ausrüstung
• Kontrolle von Fremdpartikeln

Besondere Aufmerksamkeit sollte auf metallische Partikel geleitet werden, die Leitungspfade innerhalb der Zelle erzeugen können.

Das Schneiden und Handeln von Elektroden kann zu Burschen und Partikeln führen.

Die Hersteller sollten optimieren:

• Parameter für das Schneiden
• Zustand des Schneidwerkzeugs
• Elektrodenbehandlung
• Wickel- oder Stapelverfahren
• Sammlung von Staub
• Reinheit der Produktionslinie

Durch die Verringerung von Partikeln und Gruben kann die Möglichkeit von inneren Defekten minimiert werden.

Die Feuchtigkeitskontrolle ist ein weiterer wichtiger Bestandteil der Lithiumbatterieherstellung.

Zu den empfohlenen Maßnahmen gehören:

• Richtige Trocknung der Elektroden
• Kontrollierte Trocknungstemperatur und -zeit
• Luftfeuchtigkeitskontrolle im Trockenraum
• Minimierung der Expositionszeit nach dem Trocknen
• Kontrolle der Elektrolytfüllbedingungen
• Verringerung unnötiger WIP-Speicher
• Überwachung der Materialfeuchtigkeit vor der Montage

Eine konsequente Feuchtigkeitskontrolle hilft, unerwünschte Elektrolyt- und Elektrodennebenreaktionen zu reduzieren.

Bildung und Alterung sind wichtige Phasen für die Festlegung stabiler elektrochemischer Eigenschaften.

Während der Produktion können die Hersteller überwachen:

• Formationsspannung
• Ladestrom
• Entladungstrom
• Zelltemperatur
• Ruhezeit
• Veränderungen der OCV
• Kapazität
• Innerer Widerstand

Abnormale Zellen, die in diesen Phasen identifiziert werden, können getrennt werden, bevor sie in den Batteriepack-Montageprozess eintreten.

Die Kapazität allein liefert kein vollständiges Bild der Zellkonsistenz.

Ein praktisches Batteriepack-Produktionsverfahren kann folglich Folgendes kombinieren:

Dieser Ansatz ist besonders nützlich für zylindrische und prismatische Batteriepakete, bei denen die Zellkonsistenz die Leistung des Pakets direkt beeinflusst.

Die Lithiumbatterie selbstentlädt durch eine Kombination von Leckagen, Mikro-Kurzfehlern und elektrochemischen Nebenreaktionen.Materialien, Herstellungsqualität, SOC, Temperatur und Lagerbedingungen.

Für die Batteriehersteller ist die Steuerung der Selbstentladung nicht nur eine Frage der Messung der Spannung nach der Lagerung.

• Kontrolle der Metallkontamination
• Verringerung von Elektrodenbrüchen und Partikeln
• Regulierung der Feuchtigkeit
• Optimierung der Bildung und des Alterns
• Durchführung präziser Ladungs-/Entladungstests
• Einstufung der Zellen nach ihren elektrischen Eigenschaften
• Kombination von Kapazität, OCV und IR-Sortierung vor der Verpackungsmontage

Eine zuverlässige Lithiumzell-Klassifiziermaschine kann in diesem Prozess eine wichtige Rolle spielen, indem sie kontrollierte Ladungs-/Entladungstests, genaue Datenerhebung und automatisierte Zellklassifizierung ermöglicht.

Durch die Kombination von Herstellungsprozesssteuerung mit systematischen Batterieprüfungen können Hersteller die Zellkonsistenz verbessern und zuverlässigere Lithium-Ionen-Batteries für Elektrofahrzeuge, ESS, Elektrowerkzeuge,und andere Anwendungen.

Lithiumbatterie-Selbstentladung ist der allmähliche Verlust gespeicherter Energie, wenn eine Batterie nicht mit einer externen Last verbunden ist.in abnormalen Zellen, interne Leckagen oder Mikrokortschlüsse.

Eine übliche Methode besteht darin, Zellen an einen kontrollierten SOC aufzuladen, die Polarisierung wiederherzustellen, den anfänglichen OCV zu messen, die Zellen unter kontrollierten Bedingungen zu lagern und dann den OCV erneut zu messen.Die Spannungsänderung während der Lagerungsperiode kann als Indikator für das Selbstentladungsverhalten verwendet werden.

Eine Zell-Grading-Maschine führt in erster Linie kontrollierte Ladungs-Entladungs- und Kapazitätstests durch, anstatt einen speziellen langfristigen Selbstentladungstest zu ersetzen.Kapazität, und Datenerfassungsfunktionen können ein wichtiger Bestandteil eines breiteren Zellkonsistenz- und Qualitätskontrollprozesses sein.

Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten, internen Widerständen oder Eigenschaften der Selbstentladung können zunehmend unausgewogen werden, wenn sie in Serie oder parallel angeschlossen werden.Eine bessere Abgleichbarkeit der Zellen trägt zur Verbesserung der Leistung der Batterie, nutzbare Kapazität und langfristige Verlässlichkeit.