Samorozładowanie baterii litowych: przyczyny, metody testowania i zapobieganie

Akumulatory litowo-jonowe są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, systemach magazynowania energii, narzędziach elektrycznych, laptopach i przenośnych urządzeniach elektronicznych.pojedyncze ogniwa są połączone szeregowo lub równolegle w celu utworzenia modułów i zestawów baterii.

W przypadku zestawu akumulatorów jednakże wydajność zestawu końcowego nie zależy tylko od komórki o najlepszych osiągach.Konsistencja komórki jest jednym z kluczowych czynników wpływających na bateriępojemność opakowania, czas trwania i bezpieczeństwo.

Jednym z ważnych czynników, który może zmniejszyć konsystencję komórek jestsamodzielne rozładowanie.

Gdy w pełni naładowany ogniw litowo-jonowy jest przechowywany bez obciążenia zewnętrznego, jego napięcie i stan ładowania (SOC) mogą stopniowo spadać.Jeżeli ogniwa w tym samym zestawie akumulatorów mają znacznie różne prędkości samoburzenia, ich SOC mogą stać się coraz bardziej niezrównoważone podczas przechowywania, co może mieć wpływ na pojemność opakowania, czas trwania cyklu i bezpieczeństwo.

W niniejszym artykule wyjaśniono główne przyczyny samoobciążenia baterii litowej, powszechne metody badania samoobciążenia,oraz praktyczne podejścia do kontroli samoobciążenia podczas produkcji baterii litowych.

Samoobciążenie baterii litowej odnosi się do stopniowej utraty przechowywanej energii, gdy bateria nie jest podłączona do obciążenia zewnętrznego.

W idealnym przypadku akumulator powinien utrzymywać stosunkowo stabilne napięcie otwartego obwodu (OCV) podczas przechowywania.wewnętrzne reakcje chemiczne i małe prądy wycieku mogą stopniowo zużywać aktywny lit i zmniejszać magazynowaną energię akumulatora.

Wskaźnik samodzielnego zwolnienia zależy od kilku czynników, w tym:

• Chemia akumulatorów i materiały elektrodowe
• Stan ładowania (SOC)
• Temperatura przechowywania
• Reakcje uboczne elektrolitu i elektrody
• Wilgoć i zanieczyszczenia
• Warunek separacji
• Wady produkcyjne
• Wewnętrzne mikro-krótkie obwody

Dla producentów baterii najważniejszym zagadnieniem często nie jest po prostu to, czy ogniwo ma samoobciążenie, aleczy różne komórki mają znacząco różne współczynniki samowyładowania.

W związku z tym badanie samowyładowania jest ściśle związane z klasyfikacją ogniw baterii litowej i spójnością zestawu baterii.

Samoobciążenie baterii litowo-jonowej może być ogólnie związane z dwoma głównymi mechanizmami:wyciek wewnętrzny lub mikro-skróta takżereakcje niepożądane elektrochemiczne.

Nieprawidłowa komórka samowyładowująca może mieć małą wewnętrzną ścieżkę przecieku między dodatnimi i ujemnymi elektrodami.

Do potencjalnych przyczyn należą:

• Cząsteczki metalowe wprowadzane podczas przetwarzania materiałów
• Wydzielane w trakcie cięcia odrywanie elektrody
• Pył elektrodowy lub szczątki
• Częstki obce wchodzące podczas montażu komórki
• Uszkodzenie separatora
• Lokalne usterki między elektrodą a separatorem

Zanieczyszczenie metalowe jest szczególnie ważne, ponieważ niektóre cząstki metalowe mogą tworzyć lokalne przewodzące ścieżki wewnątrz komórki.te wady mogą przyczyniać się do wewnętrznych zwarć.

Komórki dotknięte wewnętrznymi mikro-krótkotrągami mogą wykazywać znacznie większy spadek napięcia podczas przechowywania niż komórki normalne.

Drugi główny mechanizm ma związek z reakcjami chemicznymi zachodzącymi wewnątrz komórki.

Przykłady:

• Utlenianie lub redukcja elektrolitów
• Ciągłe tworzenie i naprawa warstwy SEI
• Reakcje obejmujące wilgoć i składniki elektrolitów
• Reakcje między katodą a elektrolitem
• Degradacja materiałów elektrodowych

Woda jest szczególnie ważna w produkcji baterii litowo-jonowych.który może przyspieszyć degradację interfejsu i zużywać aktywny lit.

W porównaniu z wewnętrznymi defektami mikro-krótkich, samowyładowanie chemiczne jest często silniej wpływane przez temperaturę i chemię komórkową.

Samowyładowanie staje się szczególnie ważne, gdy wiele komórek jest połączonych.

Wyobraźmy sobie, że kilka komórek ma taką samą początkową pojemność, ale nieco odmienne tempo samowyładowania.

Może to prowadzić do:

Po przechowywaniu różne ogniwa mogą osiągać różne poziomy napięcia i SOC.

W baterii podłączonej seryjnie najsłabsza lub najbardziej rozładowana komórka może stać się komórką ograniczającą podczas ładowania i rozładowywania.

Pojemność użyteczna zestawu baterii jest silnie uzależniona od spójności ogniw używanych do jego montażu.

Z tego względu przed złożeniem opakowania należy zidentyfikować komórki o nieprawidłowych właściwościach samowyładowania, gdy stosowanie wymaga wysokiej spójności.

Producenci baterii mogą potrzebować połączenia kilku procesów badawczych, w tym:

Proces ten pomaga producentom zidentyfikować nieprawidłowe komórki przed rozpoczęciem procesu montażu zestawu baterii.

Samobójcze rozładowanie może być szczególnie widoczne, gdy baterie są przechowywane przez tygodnie lub miesiące.

W przypadku zastosowań takich jak akumulatory pojazdów elektrycznych, systemy magazynowania energii, systemy zasilania zapasowego i baterie przemysłowe dla długoterminowej niezawodności istotna jest stała wydajność magazynowania.

Jednym z powszechnie stosowanych metod jest porównanie parametrów elektrycznych akumulatora przed i po kontrolowanym okresie przechowywania.

Podstawowa procedura obejmuje:

Dokładne warunki badania zależą od chemicznej struktury baterii, konstrukcji ogniw, SOC, temperatury i wymagań producenta w zakresie kontroli jakości.

Badanie powinno się rozpocząć od kontrolowanego i spójnego SOC.

Różne punkty SOC mogą wytwarzać różne reakcje napięcia, dlatego producenci powinni wybrać odpowiedni SOC w zależności od chemicznej struktury baterii i celu badania.

Co ważniejsze, wszystkie komórki porównywane powinny być badane w tych samych warunkach.

Bezpośrednio po ładowaniu zmierzone napięcie może ulec polaryzacji.

Dlatego przed początkowym pomiarem OCV komórki powinny być zwykle pozostawione w spoczynku przez określony okres.

W przypadku badań laboratoryjnych dłuższy okres odpoczynku może pomóc poprawić powtarzalność pomiaru.

Temperatura ma znaczący wpływ na samoobłukanie i reakcje elektrochemiczne.

Z tego powodu badania samowyładowania należy przeprowadzać w kontrolowanych warunkach środowiskowych.

Ważne parametry obejmują:

• Temperatura otoczenia
• Czas przechowywania
• SOC
• napięcie początkowe
• napięcie końcowe
• Temperatura komórki
• Dokładność urządzeń pomiarowych

Po upływie określonego okresu przechowywania ponownie mierzy się napięcie ogniwa.

Prosty porównanie można wyrazić w następujący sposób:

W celu dokładniejszej analizy producenci mogą obliczyć zmianę napięcia w określonym okresie przechowywania:

Wartość ta powinna być interpretowana wraz z chemiczną strukturą baterii, SOC, temperaturą i warunkami badania, a nie stosowana jako uniwersalna granica sprawności/niewłaściwości.

Badanie samowyładowania i klasyfikacja komórek są powiązane, ale nie są to dokładnie ten sam proces.

Klasyfikacja komórekocenia przede wszystkim parametry takie jak:

• Pojemność
• Wydajność ładowania
• Wydajność rozładowania
• napięcie
• Charakterystyka cyklu

Celem jest klasyfikacja ogniw o podobnych właściwościach elektrycznych w tej samej klasie.

AMaszyna do klasyfikowania ogniw litowychmoże wykonywać kontrolowane testy ładowania i rozładowania na wielu ogniwach i rejestrować parametry takie jak napięcie, prąd, pojemność i czas badania.

Na przykład sprzęt do klasyfikacji ogniw litowych ACEY obsługuje niezależną kontrolę kanałów, testowanie ładowania/wyładowania, rejestrację danych i klasyfikację komórek.Niektóre modele wspierają również zwrot energii w celu zmniejszenia zużycia energii podczas badań rozładowań.

W przypadku producentów łączących baterie cylindryczne:urządzenie do klasyfikowania ogniw litowych o napięciu 5V 20A o pojemności 256 kanałów może być stosowane do testowania ładowania/wyładowania i klasyfikacji pojemności ogniw w zakresie średnicy około 18?? 32 mm i długości 65?? 140 mm.

Dla baterii litowych PRISMATIC, ACEY zapewnia również 5V 30A 128-kanałowebadany rozładowywania akumulatorazaprojektowane do klasyfikacji pojemności i badania ładowania/wyładowania ogniw pryzmatycznych.

W przypadku zastosowań badawczych akumulatorów prismatycznych o wyższym prądzie 16-kanałowy system 5V 300A obsługuje prądy ładowania i rozładowania do 300A i zapewnia niezależne sterowanie kanałem i analizę danych.

Systemy te mogą zatem być wykorzystywane jako ważna część szerszego procesu kontroli jakości ogniw bateryjnych.

Najbardziej skutecznym podejściem jest kontrolowanie samodzielnego rozładowania na etapie produkcji, a nie polegać wyłącznie na końcowej kontroli.

Kontaminację metalową należy kontrolować w trakcie przygotowywania surowców i produkcji elektrod.

Możliwe środki kontroli obejmują:

• Kontrola surowców
• Wykrywanie zanieczyszczenia metali magnetycznych
• Filtracja osadu
• Kontrola powierzchni elektrody
• Czyszczenie sprzętu
• Kontrola cząstek obcych

Szczególną uwagę należy zwrócić na cząstki metalowe, które mogą tworzyć ścieżki przewodzące wewnątrz komórki.

Cięcie i obsługa elektrody może powodować wygrzebania i cząstki.

Producenci powinni zoptymalizować:

• Parametry przecinania
• Stan narzędzia do cięcia
• Obsługa elektrod
• Procesy zwojowe lub układowe
• Zbieranie pyłu
• Czystość linii produkcyjnej

Zmniejszenie ilości cząstek i pęknięć może pomóc zminimalizować możliwość wystąpienia wad wewnętrznych.

Kontrola wilgotności jest kolejnym ważnym elementem produkcji baterii litowych.

Zalecane środki obejmują:

• Odpowiednie suszenie elektrody
• Kontrolowana temperatura i czas suszenia
• Kontrola wilgotności w komorze suchej
• Minimalizowanie czasu ekspozycji po suszeniu
• Kontrola warunków napełniania elektrolitów
• Zmniejszenie niepotrzebnego przechowywania WIP
• Kontrola wilgotności materiału przed montażem

Konsekwentna kontrola wilgotności pomaga zmniejszyć niepożądane reakcje uboczne elektrolitów i elektrod.

Powstawanie i starzenie są ważnymi etapami ustalania stabilnych właściwości elektrochemicznych.

W trakcie produkcji producenci mogą monitorować:

• Napięcie formowane
• Prąd ładowania
• Prąd rozładowy
• Temperatura komórki
• Czas odpoczynku
• Zmiany OCV
• Pojemność
• Opór wewnętrzny

Nienormalne komórki zidentyfikowane na tych etapach mogą zostać oddzielone przed wejściem do procesu montażu zestawu baterii.

Sama pojemność nie daje pełnego obrazu spójności komórki.

Praktyczny proces produkcji zestawów baterii może zatem łączyć:

Podejście to jest szczególnie przydatne w przypadku baterii cylindrycznych i prismatycznych, w których spójność ogniw bezpośrednio wpływa na wydajność baterii.

Samowyładowanie baterii litowej jest spowodowane przez połączenie wycieków wewnętrznych, defektów mikro-krótkich i reakcji ubocznych.materiały, jakość produkcji, SOC, temperatura i warunki przechowywania.

W przypadku producentów baterii kontrola samoobciążenia nie jest po prostu kwestią pomiaru napięcia po przechowywaniu.

• Kontrola zanieczyszczeń metalowych
• Zmniejszanie burrów elektrody i cząstek
• Kontrola wilgotności
• Optymalizacja kształtowania i starzenia
• Wykonywanie dokładnych badań ładowania/wyładowania
• Klasyfikacja ogniw według ich właściwości elektrycznych
• Połączenie pojemności, sortowania OCV i IR przed montażem opakowania

Niezawodna maszyna do klasyfikowania ogniw litowych może odgrywać ważną rolę w tym procesie, zapewniając kontrolowane badania ładowania i rozładowania, dokładne gromadzenie danych i zautomatyzowaną klasyfikację ogniw.

Łącząc kontrolę procesu produkcyjnego z systematycznym testowaniem baterii, producenci mogą poprawić spójność ogniw i zbudować bardziej niezawodne baterie litowo-jonowe do pojazdów elektrycznych, ESS, narzędzi elektrycznych,i inne zastosowania.

Samoburzenie baterii litowej jest stopniową utratą przechowywanej energii, gdy bateria nie jest podłączona do obciążenia zewnętrznego.w nieprawidłowych komórkach, wycieków wewnętrznych lub mikro-skrótów.

Powszechną metodą jest ładowanie komórek do kontrolowanego SOC, umożliwienie odzyskania polaryzacji, pomiar początkowego OCV, przechowywanie komórek w kontrolowanych warunkach, a następnie ponowne pomiar OCV.Zmiana napięcia w okresie przechowywania może być wykorzystana jako wskaźnik zachowania samowyładowania.

Maszyna do klasyfikowania ogniw wykonuje głównie kontrolowane badania ładowania/wyładowania i pojemności, zamiast zastępować dedykowany długoterminowy test samowyładowania.pojemność, a funkcje rejestrowania danych mogą być ważną częścią szerszego procesu kontroli spójności komórek i jakości.

Komórki o różnych pojemnościach, odporności wewnętrznej lub charakterystyce samoobciążenia mogą stać się coraz bardziej niezrównoważone, gdy są podłączone szeregowo lub równolegle.Lepsze dopasowanie komórek pomaga poprawić wydajność baterii, zdolność użytkowa i niezawodność długoterminowa.