خود تخلیه باتری لیتیومی: علل، روش های آزمایش و پیشگیری

باتری‌های لیتیوم-یون به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم‌های ذخیره انرژی، ابزارهای برقی، لپ‌تاپ‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل استفاده می‌شوند. در بیشتر کاربردها، سلول‌های منفرد برای تشکیل ماژول‌ها و بسته‌های باتری به صورت سری یا موازی به هم متصل می‌شوند.

با این حال، برای یک بسته باتری، عملکرد بسته نهایی تنها توسط سلول با بهترین عملکرد تعیین نمی‌شود.سازگاری سلول یکی از عوامل کلیدی مؤثر بر ظرفیت، عمر و ایمنی بسته باتری است.یکی از عوامل مهمی که می‌تواند سازگاری سلول را کاهش دهد، خود تخلیه است.

هنگامی که یک سلول لیتیوم-یون کاملاً شارژ شده بدون بار خارجی ذخیره می‌شود، ولتاژ و وضعیت شارژ (SOC) آن ممکن است به تدریج کاهش یابد. این پدیده به عنوان خود تخلیه شناخته می‌شود. اگر سلول‌های موجود در یک بسته باتری نرخ خود تخلیه متفاوتی داشته باشند، وضعیت شارژ آنها در طول ذخیره‌سازی می‌تواند به طور فزاینده‌ای نامتعادل شود، که ممکن است بر ظرفیت بسته، عمر چرخه و ایمنی تأثیر بگذارد.این مقاله علل اصلی خود تخلیه باتری لیتیوم، روش‌های رایج تست خود تخلیه و رویکردهای عملی برای کنترل خود تخلیه در طول تولید باتری لیتیوم را توضیح می‌دهد.نقص‌های موضعی بین الکترود و جداکننده

خود تخلیه باتری لیتیوم به از دست دادن تدریجی انرژی ذخیره شده هنگام عدم اتصال باتری به بار خارجی اشاره دارد.

در حالت ایده‌آل، باتری باید در طول ذخیره‌سازی ولتاژ مدار باز (OCV) نسبتاً پایداری را حفظ کند. در واقعیت، واکنش‌های شیمیایی داخلی و جریان‌های نشتی کوچک می‌توانند به تدریج لیتیوم فعال را مصرف کرده و انرژی ذخیره شده باتری را کاهش دهند.

شیمی باتری و مواد الکترود

وضعیت شارژ (SOC)

دمای ذخیره‌سازی

• واکنش‌های جانبی الکترولیت و الکترود
• رطوبت و ناخالصی‌ها
• وضعیت جداکننده
• نقص‌های تولیدی
• اتصال کوتاه داخلی میکرو
• برای تولیدکنندگان باتری، مهمترین مسئله اغلب صرفاً این نیست که آیا یک سلول خود تخلیه دارد یا خیر، بلکه این است که آیا سلول‌های مختلف نرخ خود تخلیه متفاوتی دارند.
• به همین دلیل است که تست خود تخلیه ارتباط نزدیکی با درجه‌بندی سلول باتری لیتیوم و سازگاری بسته باتری دارد.
• چه عواملی باعث خود تخلیه باتری لیتیوم می‌شود؟

خود تخلیه باتری لیتیوم-یون به طور کلی می‌تواند با دو مکانیسم اصلی مرتبط باشد: نشتی داخلی یا اتصالات کوتاه میکرو و واکنش‌های جانبی الکتروشیمیایی.1. نشتی داخلی و اتصالات کوتاه میکرونقص‌های موضعی بین الکترود و جداکننده

علل احتمالی عبارتند از:

برجستگی‌های الکترود تولید شده در طول برشگرد و غبار یا زباله الکترودذرات خارجی وارد شده در طول مونتاژ سلولآسیب جداکنندهنقص‌های موضعی بین الکترود و جداکننده

سلول‌های تحت تأثیر اتصالات کوتاه میکرو داخلی می‌توانند افت ولتاژ قابل توجهی در طول ذخیره‌سازی نسبت به سلول‌های معمولی نشان دهند.

2. واکنش‌های جانبی الکتروشیمیایی

• مکانیسم اصلی دوم مربوط به واکنش‌های شیمیایی است که در داخل سلول رخ می‌دهد.
• نمونه‌ها عبارتند از:
• اکسیداسیون یا احیای الکترولیت
• تشکیل و ترمیم مداوم لایه SEI
• واکنش‌های مربوط به رطوبت و اجزای الکترولیت
• واکنش‌های رابط کاتد/الکترولیت

تخریب مواد الکترود

رطوبت به ویژه در تولید باتری لیتیوم-یون مهم است. آب اضافی می‌تواند با اجزای الکترولیت واکنش داده و به تشکیل گونه‌های اسیدی کمک کند، که می‌تواند تخریب رابط را تسریع کرده و لیتیوم فعال را مصرف کند.

چرا خود تخلیه برای بسته‌های باتری مهم است؟

خود تخلیه به ویژه زمانی اهمیت پیدا می‌کند که سلول‌های زیادی به هم متصل می‌شوند.

• تصور کنید چندین سلول ظرفیت اولیه یکسان اما نرخ خود تخلیه کمی متفاوت دارند. پس از مدتی ذخیره‌سازی، سطوح SOC آنها ممکن است دیگر برابر نباشد.
• این می‌تواند منجر به موارد زیر شود:
• 1. عدم تعادل SOC
• سلول‌های مختلف ممکن است پس از ذخیره‌سازی به سطوح ولتاژ و SOC متفاوتی برسند.
• در یک بسته باتری سری، ضعیف‌ترین یا تخلیه شده‌ترین سلول می‌تواند در طول شارژ و دشارژ به سلول محدود کننده تبدیل شود.

2. کاهش ظرفیت قابل استفاده

ظرفیت قابل استفاده یک بسته باتری به شدت تحت تأثیر سازگاری سلول‌های مورد استفاده برای مونتاژ آن است.

3. افزایش الزامات تست بسته باتری

تولیدکنندگان باتری ممکن است نیاز به ترکیب چندین فرآیند تست داشته باشند، از جمله:

تشکیل سلول → درجه‌بندی ظرفیت → تست خود تخلیه/ذخیره‌سازی → مرتب‌سازی OCV/IR → جوش نقطه‌ای بسته باتری → مونتاژ بسته → تست بسته → کهنگی

4. مشکلات ذخیره‌سازی طولانی مدت

خود تخلیه می‌تواند زمانی که باتری‌ها برای هفته‌ها یا ماه‌ها ذخیره می‌شوند، به ویژه قابل توجه باشد.

چگونه خود تخلیه باتری لیتیوم تست می‌شود؟

یک رویکرد رایج مقایسه پارامترهای الکتریکی باتری قبل و بعد از یک دوره ذخیره‌سازی کنترل شده است.

شارژ → استراحت → اندازه‌گیری OCV → ذخیره → اندازه‌گیری مجدد OCV → محاسبه تغییر ولتاژ → طبقه‌بندی سلول‌ها

1. SOC اولیه را کنترل کنید

نقاط مختلف SOC می‌توانند پاسخ‌های ولتاژ متفاوتی تولید کنند، بنابراین تولیدکنندگان باید یک SOC مناسب را بر اساس شیمی باتری و هدف تست انتخاب کنند.

مهمتر از آن، همه سلول‌های مورد مقایسه باید تحت شرایط یکسان آزمایش شوند.

بلافاصله پس از شارژ، ولتاژ اندازه‌گیری شده ممکن است تحت تأثیر پلاریزاسیون قرار گیرد.

بنابراین، سلول‌ها معمولاً باید برای مدت زمان مشخصی قبل از اندازه‌گیری اولیه OCV استراحت کنند.

3. دمای پایدار را حفظ کنید

به همین دلیل، تست‌های خود تخلیه باید تحت شرایط محیطی کنترل شده انجام شوند.

پارامترهای مهم عبارتند از:

دمای محیط

SOC

ولتاژ اولیه

ولتاژ نهایی

دقت تجهیزات اندازه‌گیری

4. ولتاژ را قبل و بعد از ذخیره‌سازی اندازه‌گیری کنید

پس از دوره ذخیره‌سازی مشخص شده، ولتاژ سلول دوباره اندازه‌گیری می‌شود.

• یک مقایسه ساده می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
• افت ولتاژ = OCV اولیه - OCV نهایی
• برای تجزیه و تحلیل دقیق‌تر، تولیدکنندگان می‌توانند تغییر ولتاژ را در یک دوره ذخیره‌سازی مشخص محاسبه کنند:
• شاخص خود تخلیه = افت ولتاژ / زمان ذخیره‌سازی
• این مقدار باید همراه با شیمی باتری، SOC، دما و شرایط تست تفسیر شود و نه به عنوان یک حد جهانی قبولی/رد.
• درجه‌بندی سلول‌ها بر اساس مشخصات الکتریکی آنها
• تست خود تخلیه و درجه‌بندی سلول مرتبط هستند اما دقیقاً یکسان نیستند.

هدف طبقه‌بندی سلول‌هایی با مشخصات الکتریکی مشابه در یک درجه است.

یک دستگاه درجه‌بندی سلول لیتیوم می‌تواند تست‌های شارژ و دشارژ کنترل شده را بر روی چندین سلول انجام دهد و پارامترهایی مانند ولتاژ، جریان، ظرفیت و زمان تست را ثبت کند.

برای تولیدکنندگان بسته‌های باتری استوانه‌ای، می‌توان از یک دستگاه درجه‌بندی سلول لیتیوم 256 کاناله 5 ولت 20 آمپر برای تست شارژ/دشارژ و طبقه‌بندی ظرفیت سلول‌ها در محدوده قطر تقریبی 18-32 میلی‌متر و طول 65-140 میلی‌متر استفاده کرد.

برای کاربردهای تست باتری منشور با جریان بالاتر، سیستم 16 کاناله 5 ولت 300 آمپر از جریان‌های شارژ و دشارژ تا 300 آمپر پشتیبانی می‌کند و کنترل کانال مستقل و تجزیه و تحلیل داده‌ها را ارائه می‌دهد.

تولیدکنندگان چگونه می‌توانند خود تخلیه باتری لیتیوم را کاهش دهند؟

مؤثرترین رویکرد کنترل خود تخلیه در مرحله تولید به جای اتکا صرف به بازرسی نهایی است.1. کنترل آلودگی فلزی

• با ترکیب کنترل فرآیند تولید با تست سیستماتیک باتری، تولیدکنندگان می‌توانند سازگاری سلول را بهبود بخشیده و بسته‌های باتری لیتیوم-یون قابل اطمینان‌تری برای EV، ESS، ابزارهای برقی و سایر کاربردها بسازند.
• اقدامات کنترلی بالقوه عبارتند از:
• بازرسی مواد اولیه
• تشخیص آلودگی فلزات مغناطیسی
• فیلتراسیون دوغاب

بازرسی سطح الکترود

تمیز کردن تجهیزاتکنترل ذرات خارجیتوجه ویژه باید به ذرات فلزی که ممکن است مسیرهای رسانا در داخل سلول ایجاد کنند، شود.

2. کاهش برجستگی‌ها و گرد و غبار الکترود

برش و جابجایی الکترود می‌تواند برجستگی‌ها و ذراتی ایجاد کند.

تولیدکنندگان باید موارد زیر را بهینه کنند:پارامترهای برشوضعیت ابزار برش

جابجایی الکترود

فرآیندهای سیم‌پیچ یا چیدمان

تمیزی خط تولید

3. کنترل رطوبت

کنترل رطوبت بخش مهم دیگری از تولید باتری لیتیوم است.

• اقدامات توصیه شده عبارتند از:
• خشک کردن مناسب الکترود
• کنترل دمای و زمان خشک کردن
• کنترل رطوبت اتاق خشک
• به حداقل رساندن زمان قرار گرفتن در معرض پس از خشک شدن
• کنترل شرایط پر کردن الکترولیت

کاهش ذخیره‌سازی WIP غیر ضروری

کنترل سازگار رطوبت به کاهش واکنش‌های جانبی ناخواسته الکترولیت و الکترود کمک می‌کند.

4. بهبود فرآیندهای تشکیل و کهنگی سلول

• تشکیل و کهنگی مراحل مهمی برای ایجاد مشخصات الکتروشیمیایی پایدار هستند.
• در طول تولید، تولیدکنندگان می‌توانند موارد زیر را نظارت کنند:
• ولتاژ تشکیل
• جریان شارژ
• جریان دشارژ
• دمای سلول

زمان استراحت

ظرفیت

مقاومت داخلی

• سلول‌های غیرعادی شناسایی شده در این مراحل می‌توانند قبل از ورود به فرآیند مونتاژ بسته باتری جدا شوند.
• 5. ترکیب درجه‌بندی ظرفیت با مرتب‌سازی ولتاژ و IR
• ظرفیت به تنهایی تصویر کاملی از سازگاری سلول ارائه نمی‌دهد.
• بنابراین، یک فرآیند تولید بسته باتری عملی ممکن است موارد زیر را ترکیب کند:
• درجه‌بندی ظرفیت → مرتب‌سازی OCV/IR → تطبیق سلول → مونتاژ بسته
• این رویکرد به ویژه برای بسته‌های باتری استوانه‌ای و منشور که در آن سازگاری سلول مستقیماً بر عملکرد بسته تأثیر می‌گذارد، مفید است.
• نتیجه‌گیری

خود تخلیه باتری لیتیوم ناشی از ترکیبی از نشتی داخلی، نقص‌های اتصال کوتاه میکرو و واکنش‌های جانبی الکتروشیمیایی است. شدت مشکل به شیمی باتری، مواد، کیفیت تولید، SOC، دما و شرایط ذخیره‌سازی بستگی دارد.

کنترل آلودگی فلزی

کاهش برجستگی‌ها و ذرات الکترود

• کنترل رطوبت
• بهینه‌سازی تشکیل و کهنگی
• انجام تست شارژ/دشارژ دقیق
• درجه‌بندی سلول‌ها بر اساس مشخصات الکتریکی آنها
• ترکیب مرتب‌سازی ظرفیت، OCV و IR قبل از مونتاژ بسته
• یک دستگاه درجه‌بندی سلول لیتیوم قابل اعتماد می‌تواند با ارائه تست شارژ/دشارژ کنترل شده، جمع‌آوری داده‌های دقیق و طبقه‌بندی خودکار سلول، نقش مهمی در این فرآیند ایفا کند.
• با ترکیب کنترل فرآیند تولید با تست سیستماتیک باتری، تولیدکنندگان می‌توانند سازگاری سلول را بهبود بخشیده و بسته‌های باتری لیتیوم-یون قابل اطمینان‌تری برای EV، ESS، ابزارهای برقی و سایر کاربردها بسازند.
• سوالات متداول

خود تخلیه باتری لیتیوم چیست؟

چگونه خود تخلیه باتری لیتیوم را تست می‌کنید؟

یک روش رایج این است که سلول‌ها را به یک SOC کنترل شده شارژ کنید، اجازه دهید پلاریزاسیون بازیابی شود، OCV اولیه را اندازه‌گیری کنید، سلول‌ها را تحت شرایط کنترل شده ذخیره کنید و سپس دوباره OCV را اندازه‌گیری کنید. تغییر ولتاژ در طول دوره ذخیره‌سازی می‌تواند به عنوان شاخص رفتار خود تخلیه استفاده شود.

یک دستگاه درجه‌بندی سلول عمدتاً تست‌های شارژ/دشارژ و ظرفیت کنترل شده را انجام می‌دهد و جایگزین تست اختصاصی خود تخلیه طولانی مدت نمی‌شود. با این حال، توابع دقیق ولتاژ، جریان، ظرفیت و ثبت داده‌های آن می‌تواند بخشی مهم از فرآیند گسترده‌تر سازگاری سلول و کنترل کیفیت باشد.

سلول‌هایی با ظرفیت‌های متفاوت، مقاومت داخلی یا ویژگی‌های خود تخلیه، هنگام اتصال سری یا موازی می‌توانند به طور فزاینده‌ای نامتعادل شوند. تطابق بهتر سلول به بهبود عملکرد بسته باتری، ظرفیت قابل استفاده و قابلیت اطمینان طولانی مدت کمک می‌کند.