バッテリー電極のバリによるショートを検出するにはどうすればよいですか？

この記事では、ゼロ電圧の原因を分析します。電極バリによるバッテリーの電圧ゼロ現象に着目。ショートの原因を特定することで、問題を正確に解決し、生産時の電極バリ管理の重要性をより深く理解することを目指しています。

実験

1. 電池の準備

この実験では、正極活物質としてリチウム ニッケル コバルト マンガン酸塩材料 (NCM111) を使用します。正極活物質、ＳＰカーボンブラック、ＰＶＤＦバインダー、およびＮＭＰ溶媒を質量比６６：２：２：３０で混合してスラリーを作製する。このスラリーを厚さ１５μｍのカーボンコートアルミ箔上に塗布し、片面の塗布量は２７０ｇ／ｍ ２ とした。正極を温度（120±3）℃のオーブンに入れて24時間乾燥させた後、電極の圧縮密度が3.28g/cm3になるようにカレンダー加工を行います。負極活物質にはチタン酸リチウム材料Li4Ti5O12を使用しています。負極活物質、ＳＰカーボンブラック導電剤、ＰＶＤＦバインダーおよびＮＭＰ溶媒を５２：２：２：４４の質量比で混合してスラリーを作製する。負極スラリーは厚さ１５μｍのカーボン被覆アルミニウム箔上に塗布され、片面の塗布量は２１４ｇ／ｍ ２ である。負極を温度（110±3）℃のオーブンに入れて24時間乾燥させた後、圧延加工を行って電極片の圧縮密度が1.85g/cm3になるようにします。乾燥した電極を幅 (136.0±1.0) mm に切断します。電極のバリは 12μm を超えてはなりません。電解液には1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC(体積比1:1:1)を使用。セパレータは厚さ２０μｍのポリエチレン（ＰＥ）多孔質セパレータである。上記の材料は、設計容量 45Ah の 66160 セルに組み立てられます。巻き付けて組み立てた後、アルミニウムシェルの上部カバーを溶接して密閉し、実験用セルを温度 (85±3)℃のオーブンに入れて 24 時間乾燥させました。

乾燥後、バッテリーセルに充填し、電解液の量は 200g になります。電解質を充填した後、セルを室温で 72 時間放置しました。放置後、すべての実験用セルの開回路電圧 (OCV) をテストし、バッテリーの内部抵抗と電圧を記録しました。

2. 充電テスト

内部抵抗や電圧解析を行う場合は、AC内部抵抗計を使用して試験を行ってください。 5V-50A高精度バッテリー性能テストシステムを使用して、バッテリーの充電性能をテストします。充填後に放置したセルの電圧テストを行う場合は、まずセルを短絡して電圧を 0 (ゼロ電圧セル) に下げます。

次に、ゼロ電圧セルの充電テストを実行します。周囲温度が(25±3)℃の場合、異なる電流(1A、2A、3Aなど)で充電されます。実験は、電流が小さいものから大きいもの、時間は短いものから長いものの順に行われました。充電時間はそれぞれ 5 秒、10 秒、25 秒に設定しました。各充電時間後のバッテリー電圧の変化を観察してください。

3.自己放電試験

電極バリ解析には二次元テスターを使用します。内部抵抗と電圧の解析にはAC内部抵抗計を使用します。電気的性能をテストするには、5V-50A の高精度バッテリー性能テスト システムを使用します。高温および低温ボックスを使用してセルの温度を制御します。形成前のゼロ電圧セルを充電するとバリが溶融し、ゼロ電圧が現れなくなります。このバッテリーの通常の形成プロセスをテストします。形成プロセスは次のとおりです。

①高温箱の温度が120℃になった後、120分間待ちます。

②1.0倍のC電流で終止電圧2.8Vまで充電し、その後定電圧充電に切り替えます。充電切れ時間は2時間です。

③10分ほど待ちます。

④1.0倍のC電流で終止電圧1.5Vまで放電し、その後定電圧放電に切り替えます。放電カットオフタイムは2時間です。

⑤10分ほど待ちます。

⑥2～5を3回繰り返します。

⑦1.0倍のC電流で充電、充電時間は0.7時間、その後2.3Vの定電圧で充電、終止電流は0.45A。形成したセルの自己放電試験を行う。静電圧をテストする方法を使用し、少なくとも 2 か月間電圧をテストします。セルを室温 (25±5)℃で 24 時間放置した後、開回路電圧をテストして記録します。その後、セルを室温で 1 か月および 2 か月放置し続け、その後、開路電圧を再度テストして記録しました。

結果と考察

1. 形成前の電池電圧の比較

図1は、1Aおよび2A充電中と充電停止後の電池電圧の変化を示しています。図より、ゼロ電圧電池は内部バリによるショートとほぼみなせることが分かります。バッテリーは 1 分以内の 2A 未満の電流テストに耐えることができます。充電電流が1Aと2Aの場合、内部バリによるショートにより電圧は安定した値に達し、変化しなくなります。充電を停止すると電圧はすぐに0に戻ります。

充電電流を増やし続け、充電電流を 3A に変更し、充電時間をそれぞれ 5 秒、10 秒、25 秒に設定します。バッテリ充電テスト曲線を図 2 に示します。

図 2 の観察によると、充電電流が 3A に達すると、5 秒と 10 秒の充電時間でのバッテリーの電圧変化は 1A と 2A の充電の場合と同様になります。充電時間が長くなり、充電時間が10秒を超えると電圧がゆっくりと上昇します。充電時間が20秒になると急激に電圧が上昇します。充電停止後はゆっくりと電圧が低下し、以前のゼロ電圧現象は短時間では現れません。

充電時の電圧変化の速さから、充電時の発熱によりバッテリー内部のバリが熱溶融したものと考えられます。バリが溶断する前は、充電開始後 10 ～ 20 秒以内に電圧がゆっくりと上昇する段階を示します。

20秒後、バリが溶融し、バッテリー電圧が急激に上昇します。充電を停止すると、バッテリーの電圧は徐々に低下します。バリが溶融した後も金属不純物がバッテリー内に残り、通常のバッテリーよりも早く自己放電が発生することに注意してください。したがって、バッテリーを正規化した後、自己放電率をテストする必要があります。

2. 電池形成後の自己放電比較

実験用に選択された電池は、上記の形成プロセスに従って充放電されました。手順⑦の後、バッテリーの充電状態 (SOC) は約 80% になりました。バッテリーの自己放電テストは室温で実施され、同じバッチからの不純物を含むバッテリーと比較されました。テストデータを表 1 に示します。

表 1 から、バリによって引き起こされるバッテリーの自己放電が存在し、バッテリーの電荷保持能力に影響を与えることがわかります。充電電流から自己放電異常の原因を解析することで、製造工程における電極バリの異常状況を直感的に反映できます。

これは、バッテリーの性能を確保し、安全上の危険を軽減するには、生産プロセス中のプロセス制御要件をさらに強化し、適時にカッターをメンテナンスする必要があることを示しています。バリを飛ばした後も電極内には金属不純物が残っています。

電池容量を測定した後の自己放電データによると、通常の電池を室温で 1 か月間放置すると、電圧が約 7mV 低下すると結論付けることができます。 2か月後、電圧は約10mV低下します。これは、バリが過剰な電池の自己放電率が通常の電池よりも大きいことを示しています。形成前の電圧と容量分割後の自己放電データ分析を考慮すると、過度のバリはバッテリーの充電保持性能の異常につながると結論付けることができます。バッテリーの電極に存在するバリは完全には消えず、長期的にはバッテリーの性能に影響を与えます。

要約すると、バリは電池の性能に悪影響を与えるため、電池の性能と安全性を確保するには、製造プロセス中にバリの形成を減らす対策を講じる必要があります。

結論

電池の製造プロセスでは、電極のバリのサイズを制御することが重要なパラメータです。バリによりショートが発生した場合、充填後の電池の電圧は0になります。バリによるショートした電池を小さな電流で充電することで、安定した電圧を観測できます。電流がバリヒューズ値に達すると、バッテリー内部には金属不純物がまだ存在しており、バッテリーの自己放電に影響を与え続けるため、通常のバッテリーよりも自己放電率が高くなります。この方法は、電池製造時のバリによって引き起こされる電池の短絡を特定するために使用できます。電圧の変化を観察することで、電池製造工程におけるスリット、ダイカット、巻き取り設備の検査強化を指導し、不合格電池の大量生産を回避します。したがって、バリが原因で短絡したバッテリーを低電流で充電し、電圧の変化を監視することで、バッテリー製造プロセスの問題を効果的に特定し、関連するプロセス制御を導き、バッテリーの品質と性能を確保することができます。