Αυτοεκφόρτιση μπαταρίας λιθίου: Αιτίες, Μέθοδοι Δοκιμής και Πρόληψη

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά οχήματα, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, ηλεκτρικά εργαλεία, φορητούς υπολογιστές και φορητές ηλεκτρονικές συσκευές.τα μεμονωμένα κύτταρα συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα για να σχηματίσουν μονάδες και πακέτα μπαταριών.

Ωστόσο, για ένα πακέτο μπαταριών, η απόδοση του τελικού πακέτου δεν καθορίζεται μόνο από το κύτταρο με τις καλύτερες επιδόσεις.Η σταθερότητα των κυψελών είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την μπαταρίαχωρητικότητα συσκευασίας, διάρκεια ζωής και ασφάλεια.

Ένας σημαντικός παράγοντας που μπορεί να μειώσει την κυτταρική συνοχή είναιαυτοαποδέσμευση.

Όταν ένα πλήρως φορτισμένο κύτταρο ιόντων λιθίου αποθηκεύεται χωρίς εξωτερικό φορτίο, η τάση και η κατάσταση φόρτισης του (SOC) μπορεί να μειωθεί σταδιακά.Εάν τα κύτταρα της ίδιας μπαταρίας έχουν σημαντικά διαφορετικούς ρυθμούς αυτοαφόρτισης, η SOC τους μπορεί να αποκτήσει αυξανόμενη ανισορροπία κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει την χωρητικότητα της συσκευασίας, τη διάρκεια ζωής του κύκλου και την ασφάλεια.

Αυτό το άρθρο εξηγεί τις κύριες αιτίες της αυτοαπολύσεως της μπαταρίας λιθίου, τις κοινές μεθόδους δοκιμής αυτοαπολύσεως,και πρακτικές προσεγγίσεις για τον έλεγχο της αυτοαπολύσεως κατά την παραγωγή μπαταριών λιθίου.

Η αυτοαφόρτιση της μπαταρίας λιθίου αναφέρεται στη σταδιακή απώλεια αποθηκευμένης ενέργειας όταν μια μπαταρία δεν συνδέεται με εξωτερικό φορτίο.

Ιδανικά, μια μπαταρία θα πρέπει να διατηρεί σχετικά σταθερή τάση ανοικτού κυκλώματος (OCV) κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης.Οι εσωτερικές χημικές αντιδράσεις και τα μικρά ρεύματα διαρροής μπορούν σταδιακά να καταναλώσουν ενεργό λίθιο και να μειώσουν την αποθηκευμένη ενέργεια της μπαταρίας.

Το ποσοστό αυτοαποδέσμευσης επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, μεταξύ των οποίων:

• Χημεία μπαταριών και υλικά ηλεκτροδίων
• Κατάσταση φόρτισης (SOC)
• Θέρμανση αποθήκευσης
• Περαιτέρω αντιδράσεις ηλεκτρολυτών και ηλεκτροδίων
• Ενυδάτωση και προσμείξεις
• Κατάσταση του διαχωριστή
• Ελαττώματα κατασκευής
• Εσωτερικά μικροκόκκινα κυκλώματα

Για τους κατασκευαστές μπαταριών, το πιο σημαντικό ζήτημα δεν είναι συχνά απλώς το αν ένα κύτταρο έχει αυτοαφόρτιση, αλλάεάν τα διαφορετικά κύτταρα έχουν σημαντικά διαφορετικά ποσοστά αυτοαπολύσεων.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δοκιμές αυτοαπολύσεως συνδέονται στενά με την ταξινόμηση των κυψελών μπαταρίας λιθίου και τη συνοχή του πακέτου μπαταρίας.

Η αυτοαφόρτιση της μπαταρίας ιόντων λιθίου μπορεί γενικά να σχετιστεί με δύο βασικούς μηχανισμούς:εσωτερικές διαρροές ή μικρο-συντομεύσειςκαιηλεκτροχημικές παρενέργειες.

Ένα μη φυσιολογικό κύτταρο αυτοεκκένωσης μπορεί να έχει μια μικρή εσωτερική διαδρομή διαρροής μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων.

Οι πιθανές αιτίες περιλαμβάνουν:

• Μεταλλικά σωματίδια που εισέρχονται κατά την επεξεργασία υλικών
• Επίδραση ηλεκτροδίων κατά τη διάρκεια της κοπής
• Σκόνη ή συντρίμμια ηλεκτροδίων
• Εξωτερικά σωματίδια που εισέρχονται κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης των κυττάρων
• Τραυματισμός του διαχωριστή
• Τοπικά ελαττώματα μεταξύ ηλεκτρόδου και διαχωριστή

Η μεταλλική μόλυνση είναι ιδιαίτερα σημαντική επειδή ορισμένα μεταλλικά σωματίδια μπορούν να δημιουργήσουν τοπικά αγωγικά μονοπάτια μέσα στο κύτταρο.Αυτά τα ελαττώματα μπορεί να συμβάλουν σε εσωτερικά βραχυκυκλώματα.

Τα κύτταρα που επηρεάζονται από εσωτερικά μικρο-σκόρτς μπορεί να παρουσιάσουν σημαντικά μεγαλύτερη πτώση τάσης κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης σε σύγκριση με τα κανονικά κύτταρα.

Ο δεύτερος κύριος μηχανισμός σχετίζεται με τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο κύτταρο.

Παραδείγματα:

• Οξείδωση ή μείωση ηλεκτρολυτών
• Συνεχής σχηματισμός και επισκευή του στρώματος SEI
• Αντιδράσεις που περιλαμβάνουν υγρασία και στοιχεία ηλεκτρολυτικών
• Αντιδράσεις διασύνδεσης καθοδίου/ηλεκτρολύτη
• Η διάσπαση των υλικών ηλεκτροδίων

Η υγρασία είναι ιδιαίτερα σημαντική στην κατασκευή μπαταριών ιόντων λιθίου.που μπορεί να επιταχύνει την υποβάθμιση των διεπαφών και να καταναλώνει ενεργό λίθιο.

Σε σύγκριση με τα εσωτερικά μικρομικρά ελαττώματα, η χημική αυτοαποδέσμευση επηρεάζεται συχνά περισσότερο από τη θερμοκρασία και την κυτταρική χημεία.

Η αυτοαπολύση γίνεται ιδιαίτερα σημαντική όταν πολλά κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους.

Φανταστείτε ότι πολλά κύτταρα έχουν την ίδια αρχική χωρητικότητα αλλά ελαφρώς διαφορετικό ρυθμό αυτοαπολύσεως.

Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε:

Διαφορετικά κύτταρα μπορεί να φθάσουν σε διαφορετικά επίπεδα τάσης και SOC μετά την αποθήκευση.

Σε μια σειρά συσσωρευτών που συνδέονται, το πιο αδύναμο ή το πιο αποφορτισμένο κύτταρο μπορεί να γίνει το περιοριστικό κύτταρο κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση.

Η χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα μιας μπαταρίας επηρεάζεται έντονα από τη συνέπεια των κυττάρων που χρησιμοποιούνται για την συναρμολόγησή της.

Συνεπώς, τα κύτταρα με μη φυσιολογικά χαρακτηριστικά αυτοεκκένωσης θα πρέπει να προσδιορίζονται πριν από την συναρμολόγηση της συσκευασίας, όταν η εφαρμογή απαιτεί υψηλή συνέπεια.

Οι κατασκευαστές μπαταριών ενδέχεται να χρειαστεί να συνδυάσουν διάφορες διαδικασίες δοκιμών, μεταξύ των οποίων:

Αυτή η διαδικασία βοηθά τους κατασκευαστές να εντοπίζουν τα ανώμαλα κύτταρα πριν εισέλθουν στο στάδιο συναρμολόγησης της μπαταρίας.

Η αυτόματη εκφόρτιση μπορεί να γίνει ιδιαίτερα αισθητή όταν οι μπαταρίες αποθηκεύονται για εβδομάδες ή μήνες.

Για εφαρμογές όπως οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εφεδρείας και τα βιομηχανικά πακέτα μπαταριών, η σταθερή απόδοση αποθήκευσης είναι σημαντική για τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.

Μια κοινή προσέγγιση είναι η σύγκριση των ηλεκτρικών παραμέτρων της μπαταρίας πριν και μετά από μια ελεγχόμενη περίοδο αποθήκευσης.

Η βασική διαδικασία μπορεί να περιλαμβάνει:

Οι ακριβείς συνθήκες δοκιμής εξαρτώνται από τη χημεία της μπαταρίας, τον σχεδιασμό των κυψελών, το SOC, τη θερμοκρασία και τις απαιτήσεις ελέγχου ποιότητας του κατασκευαστή.

Η δοκιμή πρέπει να ξεκινά με ελεγχόμενη και συνεπή SOC.

Διαφορετικά σημεία SOC μπορούν να παράγουν διαφορετικές απαντήσεις τάσης, επομένως οι κατασκευαστές θα πρέπει να επιλέγουν ένα κατάλληλο SOC σύμφωνα με τη χημεία της μπαταρίας και τον στόχο της δοκιμής.

Το σημαντικότερο είναι ότι όλα τα κύτταρα που συγκρίνονται θα πρέπει να δοκιμάζονται υπό τις ίδιες συνθήκες.

Αμέσως μετά την φόρτιση, η μετρούμενη τάση μπορεί να επηρεαστεί από πόλωση.

Ως εκ τούτου, τα κύτταρα πρέπει κανονικά να αφήνονται να αναπαύονται για καθορισμένο χρονικό διάστημα πριν από την αρχική μέτρηση OCV.

Για εργαστηριακές έρευνες, μια μεγαλύτερη περίοδος ανάπαυσης μπορεί να συμβάλει στη βελτίωση της επαναληψιμότητας της μέτρησης.

Η θερμοκρασία έχει σημαντική επιρροή στις αυτοαπολύσεις και στις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις.

Για το λόγο αυτό, οι δοκιμές αυτοαποδέσμευσης θα πρέπει να διεξάγονται υπό ελεγχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Σημαντικές παραμέτρους είναι:

• Θερμοκρασία περιβάλλοντος
• Χρόνος αποθήκευσης
• ΣΟΚ
• Αρχική τάση
• Τελική τάση
• Θέρμανση κελίδας
• Ακριβότητα του εξοπλισμού μέτρησης

Μετά την καθορισμένη περίοδο αποθήκευσης, μετράται εκ νέου η τάση του κυψελού.

Μια απλή σύγκριση μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

Για λεπτομερέστερη ανάλυση, οι κατασκευαστές μπορούν να υπολογίσουν την αλλαγή τάσης κατά τη διάρκεια καθορισμένης περιόδου αποθήκευσης:

Η τιμή αυτή θα πρέπει να ερμηνεύεται μαζί με τη χημική κατάσταση της μπαταρίας, το SOC, τη θερμοκρασία και τις συνθήκες δοκιμής και όχι να χρησιμοποιείται ως καθολικό όριο επιτυχίας/αποτυχίας.

Οι δοκιμές αυτοαπολύσεως και η ταξινόμηση κυττάρων είναι συνδεδεμένες, αλλά δεν είναι ακριβώς η ίδια διαδικασία.

Κατανομή κυττάρωναξιολογεί κυρίως παραμέτρους όπως:

• Δυναμικότητα
• Απόδοση φόρτισης
• Απόδοση εκφόρτωσης
• Τετάρτη
• Χαρακτηριστικά κύκλου

Σκοπός είναι η ταξινόμηση των κυψελών με παρόμοια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά στην ίδια κατηγορία.

ΑΜηχανή ταξινόμησης κυψελών λιθίουμπορεί να εκτελεί ελεγχόμενες δοκιμές φόρτισης και εκφόρτισης σε πολλαπλές κυψέλες και να καταγράφει παραμέτρους όπως τάση, ρεύμα, χωρητικότητα και χρόνο δοκιμής.

Για παράδειγμα, ο εξοπλισμός ταξινόμησης κυψελών λιθίου της ACEY υποστηρίζει ανεξάρτητο έλεγχο καναλιών, δοκιμές φόρτισης/αποφόρτισης, καταγραφή δεδομένων και ταξινόμηση κυψελών.Ορισμένα μοντέλα υποστηρίζουν επίσης την ενεργειακή ανατροφοδότηση για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας κατά τη δοκιμή εκφόρτισης.

Για τους κατασκευαστές που συναρμολογούν κυλινδρικές μπαταρίες,μπορεί να χρησιμοποιηθεί μηχανή ταξινόμησης κυψελών λιθίου 5V 20A 256 καναλιών για δοκιμές φόρτισης/αποφόρτισης και ταξινόμηση χωρητικότητας κυψελών σε εύρος μήκους 65-140 mm και διάμετρος 18-32 mm περίπου.

Για τις πρισματικές μπαταρίες λιθίου, η ACEY παρέχει επίσης 5V 30A 128-κανάλιΔοκιμαστής εκφόρτισης μπαταρίαςσχεδιασμένα για βαθμολόγηση της χωρητικότητας και δοκιμή φόρτισης/αφόρτισης των πρισματικών κυψελών.

Για εφαρμογές δοκιμής πρισματικών μπαταριών υψηλότερου ρεύματος, το σύστημα 16 καναλιών 5V 300A υποστηρίζει ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης έως 300A και παρέχει ανεξάρτητο έλεγχο καναλιών και ανάλυση δεδομένων.

Συνεπώς, τα συστήματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σημαντικό μέρος μιας ευρύτερης διαδικασίας ελέγχου της ποιότητας των κυψελών μπαταρίας.

Η πιο αποτελεσματική προσέγγιση είναι ο έλεγχος της αυτοαποδέσμευσης στο στάδιο της κατασκευής αντί να βασίζεται μόνο στην τελική επιθεώρηση.

Η μεταλλική μόλυνση πρέπει να ελέγχεται κατά τη διάρκεια της προετοιμασίας της πρώτης ύλης και της κατασκευής των ηλεκτροδίων.

Τα ενδεχόμενα μέτρα ελέγχου περιλαμβάνουν:

• Επιθεώρηση πρώτων υλών
• Ανίχνευση μαγνητικής μόλυνσης μετάλλων
• Φιλτράρισμα λιπασμάτων
• Επιθεώρηση επιφάνειας ηλεκτροδίων
• Καθαρισμός εξοπλισμού
• Έλεγχος ξένων σωματιδίων

Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στα μεταλλικά σωματίδια που μπορεί να δημιουργήσουν αγωγικές διαδρομές στο εσωτερικό του κυττάρου.

Η κοπή και ο χειρισμός των ηλεκτροδίων μπορεί να προκαλέσει σπασμούς και σωματίδια.

Οι κατασκευαστές θα πρέπει να βελτιστοποιήσουν:

• Παράμετροι διακοπής
• Κατάσταση του εργαλείου κοπής
• Επεξεργασία ηλεκτροδίων
• Συστήματα περιστροφής ή στοιβάσματος
• Συλλογή σκόνης
• Καθαριότητα της γραμμής παραγωγής

Η μείωση των σωματιδίων και των σπασμάτων μπορεί να συμβάλει στην ελαχιστοποίηση της πιθανότητας εσωτερικών ελαττωμάτων.

Ο έλεγχος της υγρασίας είναι ένα άλλο σημαντικό μέρος της κατασκευής μπαταριών λιθίου.

Τα συνιστώμενα μέτρα περιλαμβάνουν:

• Ορθή ξήρανση ηλεκτροδίων
• Ελεγχόμενη θερμοκρασία και χρόνος ξήρανσης
• Ελέγχος υγρασίας σε στεγνό δωμάτιο
• Ελαχιστοποίηση του χρόνου έκθεσης μετά την ξήρανση
• Ελέγχος των συνθηκών πλήρωσης με ηλεκτρολύτες
• Μείωση της περιττής αποθήκευσης WIP
• Παρακολούθηση υλικής υγρασίας πριν από την συναρμολόγηση

Ο συνεπής έλεγχος της υγρασίας συμβάλλει στη μείωση των ανεπιθύμητων αντιδράσεων των ηλεκτρολυτών και των ηλεκτροδίων.

Ο σχηματισμός και η γήρανση αποτελούν σημαντικά στάδια για την καθιέρωση σταθερών ηλεκτροχημικών χαρακτηριστικών.

Κατά τη διάρκεια της παραγωγής, οι κατασκευαστές μπορούν να παρακολουθούν:

• Τύπος σχηματισμού
• ρεύμα φόρτισης
• ρεύμα εκφόρτισης
• Θέρμανση κελίδας
• Χρόνος ανάπαυσης
• Αλλαγές OCV
• Δυναμικότητα
• Εσωτερική αντίσταση.

Τα ανώμαλα κύτταρα που εντοπίζονται κατά τη διάρκεια αυτών των σταδίων μπορούν να διαχωριστούν πριν εισέλθουν στη διαδικασία συναρμολόγησης της μπαταρίας.

Η χωρητικότητα από μόνη της δεν παρέχει πλήρη εικόνα της συνοχής των κυττάρων.

Συνεπώς, μια πρακτική διαδικασία παραγωγής συσσωρευτών μπαταριών μπορεί να συνδυάζει:

Η προσέγγιση αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για κυλινδρικές και πρισματικές μπαταρίες όπου η συνέπεια των κυψελών επηρεάζει άμεσα την απόδοση της μπαταρίας.

Η αυτοαποφόρτιση της μπαταρίας του λιθίου προκαλείται από ένα συνδυασμό εσωτερικών διαρροών, μικρο-συντομότερων ελαττωμάτων και ηλεκτροχημικών παρενεργειών.υλικά, ποιότητα κατασκευής, SOC, θερμοκρασία και συνθήκες αποθήκευσης.

Για τους κατασκευαστές μπαταριών, ο έλεγχος της αυτοαπολύσεως δεν είναι απλώς θέμα μέτρησης της τάσης μετά την αποθήκευση.

• Ελέγχος της μεταλλικής μόλυνσης
• Μείωση των σπασμάτων και των σωματιδίων των ηλεκτροδίων
• Ελέγχος της υγρασίας
• Βελτιστοποίηση του σχηματισμού και της γήρανσης
• Εκτέλεση ακριβών δοκιμών φόρτισης/αφόρτισης
• Τροποποίηση κυψελών σύμφωνα με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους
• Συνδυασμός χωρητικότητας, διαλογής OCV και IR πριν από την συναρμολόγηση συσκευασίας

Μια αξιόπιστη μηχανή ταξινόμησης κυψελών λιθίου μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία, παρέχοντας ελεγχόμενες δοκιμές φόρτισης/αποφόρτισης, ακριβή συλλογή δεδομένων και αυτοματοποιημένη ταξινόμηση κυψελών.

Συνδυάζοντας τον έλεγχο της διαδικασίας παραγωγής με συστηματικές δοκιμές μπαταριών, οι κατασκευαστές μπορούν να βελτιώσουν τη συνοχή των κυψελών και να κατασκευάσουν πιο αξιόπιστες μπαταρίες ιόντων λιθίου για ηλεκτρικά οχήματα, ηλεκτρικά εργαλεία,και άλλες εφαρμογές.

Η αυτοαποφόρτιση της μπαταρίας λιθίου είναι η σταδιακή απώλεια αποθηκευμένης ενέργειας όταν μια μπαταρία δεν συνδέεται με εξωτερικό φορτίο.σε ανώμαλα κύτταρα, εσωτερικές διαρροές ή μικρο-σκότο κύκλωμα.

Μια κοινή μέθοδος είναι η φόρτιση των κυττάρων σε ένα ελεγχόμενο SOC, η ανάκτηση της πόλωσης, η μέτρηση του αρχικού OCV, η αποθήκευση των κυττάρων υπό ελεγχόμενες συνθήκες και στη συνέχεια η επαναμέτρηση του OCV.Η αλλαγή τάσης κατά τη διάρκεια της περιόδου αποθήκευσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης της συμπεριφοράς αυτοαπολύσεως.

Μια μηχανή βαθμολόγησης κυττάρων εκτελεί κυρίως ελέγχονται δοκιμές φόρτισης / εκφόρτισης και χωρητικότητας, αντί να αντικαταστήσει μια ειδική μακροπρόθεσμη δοκιμή αυτοεκφόρτισης.Δυνατότητα, και οι λειτουργίες καταγραφής δεδομένων μπορούν να αποτελέσουν σημαντικό μέρος μιας ευρύτερης διαδικασίας ελέγχου της συνοχής των κυττάρων και της ποιότητας.

Τα κύτταρα με διαφορετικές ικανότητες, εσωτερική αντίσταση ή χαρακτηριστικά αυτοαπολύσεως μπορούν να γίνουν όλο και πιο ανισόρροπα όταν συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα.Η καλύτερη αντιστοίχιση των κυψελών βοηθά στη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας, αξιοποιήσιμη ικανότητα και μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.