Саморазряд литиевых батарей: причины, методы тестирования и предотвращение

Литий-ионные батареи широко используются в электромобилях, системах хранения энергии, электроинструментах, ноутбуках и портативных электронных устройствах.отдельные элементы соединены в серии или параллельно, чтобы сформировать модули и пакеты батарей.

Однако для аккумуляторной батареи производительность окончательной батареи определяется не только наиболее эффективной батареей.Консистенция ячейки является одним из ключевых факторов, влияющих на аккумуляторемкость упаковки, срок службы и безопасность.

Одним из важных факторов, который может уменьшить консистенцию клеток, являетсясамовыпуск.

Когда полностью заряженный литий-ионный элемент хранится без внешней нагрузки, его напряжение и состояние зарядки (SOC) могут постепенно снижаться.Если элементы в одном аккумуляторе имеют значительно различные скорости саморазрядки, их SOC может становиться все более несбалансированным во время хранения, что может повлиять на емкость упаковки, срок службы и безопасность.

В этой статье объясняются основные причины саморазрядки литийных батарей, общие методы испытаний саморазрядки,и практические подходы для контроля саморазрядки при производстве литиевых батарей.

Саморазрядка литиевой батареи относится к постепенной потере накопленной энергии, когда батарея не подключена к внешней нагрузке.

В идеале, аккумулятор должен поддерживать относительно стабильное напряжение открытой цепи (OCV) во время хранения.Внутренние химические реакции и небольшие утечки могут постепенно потреблять активный литий и уменьшать накопленную энергию батареи..

На уровень самовыписки влияет несколько факторов, в том числе:

• Химия батарей и материалы для электродов
• Состояние заряда (SOC)
• Температура хранения
• Побочные реакции электролита и электрода
• Влага и примеси
• Состояние сепаратора
• Дефекты производства
• Внутренние микрокороткие цепи

Для производителей аккумуляторов наиболее важным вопросом часто является не просто то, имеет ли ячейка саморазрядку, но и то, что она может быть использована дляимеют ли разные клетки значительно различные скорости самовыпускания.

Поэтому саморазрядные испытания тесно связаны с классификацией литиевых батарей и консистенцией аккумуляторных батарей.

Саморазрядка литий-ионной батареи обычно может быть связана с двумя основными механизмами:внутренние утечки или микрокороткие цепииэлектрохимические побочные реакции.

Аномальная саморазрядная ячейка может иметь небольшой внутренний путь утечки между положительными и отрицательными электродами.

Возможные причины включают:

• Металлические частицы, поступающие во время обработки материалов
• Выделения на электродах, полученные при резке
• Пыль или отходы электродов
• Иностранные частицы, попадающие во время сборки клеток
• Повреждение сепаратора
• Местные дефекты между электродом и сепаратором

Металлическое загрязнение особенно важно, потому что некоторые частицы металла могут создавать локализованные проводящие пути внутри клетки.эти дефекты могут способствовать внутреннему короткому замыканию.

Клетки, затронутые внутренними микро-короткими, могут показывать значительно более высокое падение напряжения во время хранения, чем обычные клетки.

Второй основной механизм связан с химическими реакциями, происходящими внутри клетки.

Примеры:

• Окисление или редукция электролитов
• Постоянное формирование и восстановление слоя СЭИ
• Реакции с участием влаги и электролитных компонентов
• Реакции на интерфейсе катода/электролита
• Деградация материалов электродов

Влага особенно важна при производстве литий-ионных батарей. Избыток воды может реагировать с компонентами электролита и способствовать образованию кислотных видов,который может ускорить деградацию интерфейса и потреблять активный литий.

По сравнению с внутренними микрокороткими дефектами, химический саморазряд часто более сильно влияет на температуру и химию клеток.

Саморазрядка становится особенно важной, когда многие клетки соединены друг с другом.

Представьте, что несколько клеток имеют одинаковую начальную емкость, но немного различаются скоростью саморазряда.

Это может привести к:

Различные элементы могут достигать разных уровней напряжения и SOC после хранения.

В серийно подключенном аккумуляторе самая слабая или самая разряженная батарея может стать ограничивающей батареей во время зарядки и разрядки.

Используемая емкость аккумуляторной батареи сильно зависит от консистенции элементов, используемых для ее сборки.

Поэтому клетки с аномальными характеристиками саморазряда должны быть идентифицированы до сборки упаковки, когда применение требует высокой консистенции.

Производителям аккумуляторов может потребоваться объединить несколько процессов испытаний, в том числе:

Этот процесс помогает производителям выявлять аномальные клетки до того, как они войдут в стадию сборки аккумуляторных батарей.

Саморазрядка может быть особенно заметна, когда батареи хранятся в течение нескольких недель или месяцев.

Для таких приложений, как батареи электромобилей, системы хранения энергии, системы резервного питания и промышленные аккумуляторные батареи, постоянная производительность хранения важна для долгосрочной надежности.

Одним из распространенных подходов является сравнение электрических параметров батареи до и после контролируемого периода хранения.

Основная процедура может включать:

Точные условия испытаний зависят от химического состава батареи, конструкции ячейки, SOC, температуры и требований производителя к контролю качества.

Испытание должно начинаться с контролируемого и последовательного SOC.

Различные точки SOC могут производить различные реакции напряжения, поэтому производители должны выбрать подходящий SOC в соответствии с химией батареи и целью испытания.

Что еще более важно, все сравниваемые клетки должны быть проверены в одинаковых условиях.

Сразу после зарядки на измеренное напряжение может повлиять поляризация.

Поэтому, как правило, клеткам следует позволить отдохнуть в течение определенного периода до первоначального измерения OCV.

Для лабораторных исследований более длительный период покоя может помочь улучшить повторяемость измерения.

Температура оказывает значительное влияние на саморазряд и электрохимические реакции.

По этой причине испытания саморазряда должны проводиться в контролируемых условиях окружающей среды.

К важным параметрам относятся:

• Температура окружающей среды
• Время хранения
• SOC
• Начальное напряжение
• Конечное напряжение
• Температура ячейки
• Точность измерительного оборудования

После указанного периода хранения напряжение элемента измеряется снова.

Простое сравнение можно выразить следующим образом:

Для более подробного анализа производители могут рассчитать изменение напряжения за определенный период хранения:

Это значение следует интерпретировать вместе с химией батареи, SOC, температурой и условиями испытания, а не использовать как универсальный предел прохождения/отказы.

Саморазрядные тесты и классификация клеток связаны, но они не совсем одинаковые.

Классификация клетокв основном оценивает такие параметры, как:

• Мощность
• Показатели зарядки
• Производительность разряда
• Напряжение
• Характеристики цикла

Цель состоит в том, чтобы классифицировать элементы с аналогичными электрическими характеристиками в один и тот же класс.

А.Машина для классификации литийных элементовможет выполнять контролируемые испытания заряда и разряда на нескольких элементах и записывать такие параметры, как напряжение, ток, емкость и время испытания.

Например, оборудование для классификации литийных элементов ACEY поддерживает независимое управление каналами, тестирование заряда/разряда, запись данных и классификацию элементов.Некоторые модели также поддерживают энергетическую обратную связь для снижения потребления энергии во время испытаний разряда.

Для производителей, собирающих цилиндрические аккумуляторные пакеты,для испытаний заряда/разряда и классификации емкости элементов в диаметре приблизительно 18 ∼ 32 мм и диапазоне длины 65 ∼ 140 мм может использоваться 5В 20А 256-канальная машина для классификации литийных элементов.

Для призматических литий-аккумуляторов ACEY также предоставляет 5V 30A 128-канальныеиспытатель разряда заряда батареипредназначенные для классификации емкости и испытаний заряда/разряда призматических элементов.

Для испытаний призма с более высоким током, 16-канальная система 5V 300A поддерживает токи зарядки и разрядки до 300A и обеспечивает независимое управление каналами и анализ данных.

Таким образом, эти системы могут быть использованы в качестве важной части более широкого процесса контроля качества батарейных элементов.

Наиболее эффективный подход заключается в том, чтобы контролировать саморазрядки на стадии производства, а не полагаться только на окончательную проверку.

Металлическое загрязнение должно контролироваться на протяжении всей подготовки сырья и производства электродов.

Возможные меры борьбы включают:

• Проверка сырья
• Выявление загрязнения магнитных металлов
• Фильтрация слизи
• Проверка поверхности электродов
• Очистка оборудования
• Контроль за чужеродными частицами

Особое внимание следует уделить металлическим частицам, которые могут создавать проводящие пути внутри клетки.

Вырезание и обработка электродов могут вызвать выпуклость и частицы.

Производители должны оптимизировать:

• Параметры резки
• Состояние режущего инструмента
• Обработка электродов
• Процессы обмотки или складирования
• Сбор пыли
• Чистота производственной линии

Уменьшение количества частиц и выпуклостей поможет минимизировать возможность внутренних дефектов.

Контроль влажности является еще одной важной частью производства литиевых батарей.

Рекомендуемые меры включают:

• Правильное высушивание электродов
• Контролируемая температура и время сушки
• Контроль влажности в сухом помещении
• Минимизация времени воздействия после сушки
• Контроль условий заполнения электролита
• Сокращение ненужного хранилища WIP
• Контроль влажности материала перед сборкой

Постоянный контроль влажности помогает уменьшить нежелательные побочные реакции электролитов и электродов.

Формирование и старение являются важными этапами для установления стабильных электрохимических характеристик.

Во время производства производители могут контролировать:

• Формирующее напряжение
• Поток зарядки
• Ток разряда
• Температура ячейки
• Время отдыха
• Изменения в ОКВ
• Мощность
• Внутреннее сопротивление

Аномальные клетки, выявленные на этих этапах, могут быть отделены до того, как они войдут в процесс сборки батареи.

Одной только емкостью нельзя получить полную картину консистенции клеток.

Поэтому практический процесс производства аккумуляторных батарей может сочетать в себе:

Этот подход особенно полезен для цилиндрических и призматических аккумуляторных комплектов, где консистенция ячейки напрямую влияет на производительность комплекта.

Саморазрядка литиевой батареи вызвана сочетанием внутренней утечки, микрокоротких дефектов и электрохимических побочных реакций.материалы, качество производства, SOC, температура и условия хранения.

Для производителей аккумуляторов контроль саморазрядки - это не просто измерение напряжения после хранения.

• Контроль металлического загрязнения
• Уменьшение электродных выпуклов и частиц
• Контроль влажности
• Оптимизация формирования и старения
• Проведение точных испытаний заряда/разряда
• Классификация элементов по их электрическим характеристикам
• Комбинирующая способность, сортировка OCV и IR перед сборкой упаковки

Надежная машина для классификации литийных элементов может играть важную роль в этом процессе, обеспечивая контролируемое тестирование заряда/разряда, точное сбор данных и автоматическую классификацию элементов.

Сочетая контроль производственного процесса с систематическим тестированием батареи, производители могут улучшить консистенцию ячейки и создать более надежные литий-ионные аккумуляторы для электромобилей, ESS, электроинструментов,и другие приложения.

Саморазрядка литийной батареи - это постепенная потеря накопленной энергии, когда батарея не подключена к внешней нагрузке.в аномальных клетках, внутренние утечки или микрокороткие цепи.

Общий метод - заряжать клетки в контролируемый SOC, позволить поляризации восстановиться, измерить начальную OCV, хранить клетки в контролируемых условиях, а затем снова измерить OCV.Изменение напряжения в течение периода хранения может использоваться в качестве показателя поведения саморазрядки.

Машины для классификации ячеек в основном выполняют контролируемые испытания заряда/разряда и емкости, а не заменяют специальное долгосрочное саморазрядное испытание.пропускная способность, и функции записи данных могут быть важной частью более широкого процесса согласованности клеток и контроля качества.

Клетки с различными характеристиками емкости, внутреннего сопротивления или саморазряда могут становиться все более несбалансированными при подключении в серии или параллельно.Лучшее сопоставление элементов помогает улучшить производительность батареи, используемой мощности и долгосрочной надежности.