این مقاله به بررسی علل ولتاژ صفر می پردازد. تمرکز بر پدیده ولتاژ صفر در باتری ناشی از فرزهای الکترود. با شناسایی علت اتصال کوتاه، هدف ما حل دقیق مشکل و درک بهتر اهمیت کنترل فرزهای الکترود در حین تولید است.
آزمایش کنید
1. آماده سازی باتری
این آزمایش از مواد منگنات کبالت لیتیوم نیکل (NCM111) به عنوان ماده فعال مثبت استفاده می کند. مواد فعال مثبت، کربن سیاه SP، بایندر PVDF و حلال NMP را با نسبت جرمی 66:2:2:3{33}} مخلوط کنید تا دوغاب بسازید. دوغاب روی یک فویل آلومینیومی با پوشش کربن با ضخامت 15 میکرومتر پوشانده می شود و مقدار پوشش در یک طرف آن 27 0 گرم بر متر مربع است. الکترود مثبت را به مدت 24 ساعت در کوره ای با دمای (3±120) درجه قرار می دهیم تا خشک شود و سپس فرآیند کلندرینگ انجام می شود تا چگالی متراکم شده الکترود به 3.28 گرم بر سانتی متر مکعب برسد. ماده فعال منفی از ماده لیتیوم تیتانات Li4Ti5O12 استفاده می کند. مواد فعال منفی، عامل رسانای کربن سیاه SP، چسب PVDF و حلال NMP را با توجه به نسبت جرمی 52:2:2:44 مخلوط کنید تا یک دوغاب بسازید. دوغاب آند روی یک فویل آلومینیومی با ضخامت 15 میکرومتر پوشش داده شده است و مقدار پوشش در یک طرف آن 214 گرم بر متر مربع است. الکترود منفی را به مدت 24 ساعت در اجاقی با دمای (3±110) درجه قرار دهید تا خشک شود و سپس فرآیند غلتکی را انجام دهید تا چگالی متراکم شده قطعه الکترود به 1.85 گرم بر سانتی متر مکعب برسد. الکترود خشک شده به قطعات با عرض (1.0±136.0) میلی متر بریده می شود و فرزهای الکترود نباید بیش از 12μm باشد. الکترولیت از 1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC استفاده می کند (نسبت حجمی 1:1:1). جداکننده یک جداکننده متخلخل پلی اتیلن (PE) با ضخامت 20 میکرومتر است. مواد فوق در سلول های 66160 با ظرفیت طراحی 45Ah مونتاژ می شوند. پس از سیم پیچی و مونتاژ، روکش رویی پوسته آلومینیومی جوش داده و آب بندی شد و سلول های آزمایشی در کوره ای با دمای (3±85) درجه قرار گرفتند تا به مدت 24 ساعت خشک شوند.
پس از خشک شدن، پر کردن سلول های باتری و مقدار الکترولیت 200 گرم است. پس از پر شدن الکترولیت، سلول ها به مدت 72 ساعت در دمای اتاق باقی ماندند. پس از ایستادن، تمام سلول های آزمایشی برای ولتاژ مدار باز (OCV) آزمایش شدند و مقاومت داخلی و ولتاژ باتری ثبت شد.
2. تست شارژ
هنگام انجام آنالیز مقاومت داخلی و ولتاژ، از یک تستر مقاومت داخلی AC برای آزمایش استفاده کنید. از 5 ولت{1}}یک سیستم تست عملکرد باتری با دقت بالا برای آزمایش عملکرد شارژ باتری استفاده کنید. برای سلول هایی که پس از پر شدن سرپا مانده اند، هنگام انجام تست ولتاژ، ابتدا سلول را اتصال کوتاه کنید تا ولتاژ آن به 0 که یک سلول ولتاژ صفر است کاهش یابد.
سپس تست شارژ را روی سلول ولتاژ صفر انجام دهید. هنگامی که دمای محیط (25±3) درجه باشد، جریان های مختلف (مانند 1A، 2A و 3A) برای شارژ استفاده می شود. آزمایش ها به ترتیب جریان از کوچک به بزرگ و زمان از کوتاه به طولانی انجام شد. زمان شارژ به ترتیب 5 ثانیه، 10 ثانیه و 25 ثانیه تنظیم شد. تغییرات ولتاژ باتری را پس از هر بار شارژ مشاهده کنید.
3. آزمایش خود تخلیه
از یک تستر دو بعدی برای تجزیه و تحلیل فرز الکترود استفاده کنید. از یک تستر مقاومت داخلی AC برای تجزیه و تحلیل مقاومت داخلی و ولتاژ استفاده کنید. برای آزمایش عملکرد الکتریکی از یک سیستم تست عملکرد باتری با دقت بالا 5 ولت استفاده کنید. برای کنترل دمای سلول ها از جعبه دمای بالا و پایین استفاده کنید. پس از شارژ شدن سلول های ولتاژ صفر قبل از تشکیل، فرز فیوز می شود و ولتاژ صفر دیگر ظاهر نمی شود. فرآیند تشکیل طبیعی این باتری را تست کنید. روند شکل گیری به شرح زیر است:
①بعد از اینکه دمای جعبه دمای بالا به 120 درجه رسید، 120 دقیقه صبر کنید.
②با جریان 1.{1}} برابر C تا ولتاژ قطع 2.8 ولت شارژ کنید، سپس به شارژ ولتاژ ثابت بروید. زمان قطع شارژ 2 ساعت است.
③ 10 دقیقه صبر کنید.
④با جریان 1.{1}} برابر C تا ولتاژ قطع 1.5 ولت تخلیه کنید و سپس به تخلیه ولتاژ ثابت بروید. زمان قطع تخلیه 2 ساعت است.
⑤به مدت 10 دقیقه صبر کنید.
⑥مراحل 2 تا 5 3 را تکرار کنید.
⑦شارژ با 1.0 برابر جریان C، زمان شارژ 0.7 ساعت است، سپس با ولتاژ ثابت 2.3 ولت شارژ کنید، جریان قطع 0.45A. انجام خود تخلیه آزمایش بر روی سلول های تشکیل شده از روش تست ولتاژ استاتیک استفاده کنید و ولتاژ را کمتر از دو ماه تست کنید. پس از اینکه سلول ها به مدت 24 ساعت در دمای اتاق (5±25) درجه ایستادند، ولتاژ مدار باز تست و ثبت می شود. سپس سلول ها به مدت یک ماه و دو ماه در دمای اتاق به ماندن ادامه دادند و سپس ولتاژ مدار باز مجددا تست و ثبت شد.
نتایج و بحث
1. مقایسه ولتاژ باتری قبل از تشکیل
شکل 1 تغییرات ولتاژ باتری را در طول شارژ 1 آمپر و 2 آمپر و پس از توقف شارژ نشان می دهد. از شکل می توان دریافت که یک باتری ولتاژ صفر را می توان تقریباً به عنوان یک اتصال کوتاه ناشی از فرزهای داخلی در نظر گرفت. باتری می تواند تست جریان کمتر از 2A را در عرض 1 دقیقه تحمل کند. هنگامی که جریان شارژ 1 آمپر و 2 آمپر باشد، به دلیل اتصال کوتاه ناشی از فرزهای داخلی، ولتاژ به مقدار پایدار می رسد و دیگر تغییر نمی کند. وقتی شارژ متوقف می شود، ولتاژ به سرعت به 0 برمی گردد.
به افزایش جریان شارژ ادامه دهید، جریان شارژ را به 3 آمپر تغییر دهید و زمان شارژ را به ترتیب روی 5 ثانیه، 10 ثانیه و 25 ثانیه تنظیم کنید. منحنی تست شارژ باتری در شکل 2 نشان داده شده است.
با توجه به مشاهدات شکل 2، هنگامی که جریان شارژ به 3 آمپر می رسد، تغییر ولتاژ باتری مشابه ولتاژ 1 آمپر و 2 آمپر در زمان شارژ 5 ثانیه و 10 ثانیه است. با طولانی شدن زمان شارژ، زمانی که زمان شارژ از 10 ثانیه بیشتر شود، ولتاژ به آرامی افزایش می یابد. زمانی که زمان شارژ به 20 ثانیه می رسد، ولتاژ به سرعت افزایش می یابد. پس از توقف شارژ، ولتاژ به آرامی کاهش می یابد و پدیده ولتاژ صفر قبلی در مدت زمان کوتاهی ظاهر نمی شود.
با توجه به سرعت تغییر ولتاژ در حین شارژ می توان نتیجه گرفت که سوراخ های داخل باتری به دلیل گرمای ایجاد شده در اثر شارژ به صورت حرارتی ذوب شده اند. قبل از فیوز شدن فرزها، ولتاژ یک مرحله به آرامی در عرض 10 تا 20 ثانیه پس از شروع شارژ نشان می دهد.
پس از 20 ثانیه، فرز فیوز می شود و ولتاژ باتری به سرعت بالا می رود. پس از توقف شارژ، ولتاژ باتری به آرامی کاهش می یابد. شایان ذکر است که پس از فیوز شدن سوراخ، ناخالصی های فلزی همچنان در داخل باتری باقی می مانند و باعث تخلیه سریعتر خود نسبت به باتری های معمولی می شوند. بنابراین، پس از عادی سازی باتری، لازم است میزان خود تخلیه آن را آزمایش کنید.
2. مقایسه خود تخلیه باتری پس از تشکیل
باتری انتخاب شده برای آزمایش طبق فرآیند تشکیل فوق شارژ و دشارژ شد. پس از مرحله ⑦، وضعیت شارژ (SOC) باتری تقریباً 80٪ بود. آزمایش خود تخلیه باتری در دمای اتاق انجام شد و با باتری های حاوی ناخالصی از همان دسته مقایسه شد. داده های آزمون در جدول 1 نشان داده شده است.
از جدول 1 می توان دریافت که خود تخلیه باتری ناشی از فرز وجود دارد و بر قابلیت نگهداری شارژ باتری تأثیر می گذارد. تجزیه و تحلیل علل ناهنجاری های خود تخلیه از طریق جریان شارژ می تواند به طور شهودی وضعیت غیرعادی فرزهای الکترود را در طول فرآیند تولید منعکس کند.
این نشان می دهد که برای اطمینان از عملکرد باتری و کاهش خطرات ایمنی، لازم است الزامات کنترل فرآیند در طول فرآیند تولید تقویت شود و کاتر به موقع نگهداری شود. پس از دمیدن سوراخ، هنوز ناخالصی های فلزی در داخل الکترود وجود دارد.
با توجه به داده های خود تخلیه پس از اندازه گیری ظرفیت باتری، می توان نتیجه گرفت که پس از یک ماه ماندن یک باتری معمولی در دمای اتاق، ولتاژ حدود 7 میلی ولت کاهش می یابد. پس از دو ماه، ولتاژ حدود 10 میلی ولت کاهش می یابد. این نشان می دهد که میزان خود تخلیه باتری های با فرز بیش از حد از باتری های معمولی بیشتر است. با در نظر گرفتن ولتاژ قبل از شکل گیری و تجزیه و تحلیل داده های خود تخلیه پس از تقسیم ظرفیت، می توان نتیجه گرفت که سوراخ های بیش از حد منجر به عملکرد غیرعادی حفظ شارژ باتری می شود. فرزهای موجود بر روی الکترودهای باتری به طور کامل ناپدید نمی شوند و در دراز مدت بر عملکرد باتری تأثیر می گذارند.
به طور خلاصه، فرزها تأثیر منفی بر عملکرد باتری دارند، بنابراین باید اقداماتی برای کاهش تشکیل فرزها در طول فرآیند تولید انجام شود تا از عملکرد و ایمنی باتری اطمینان حاصل شود.
نتیجه
در فرآیند تولید باتری، کنترل اندازه فرزهای الکترود یک پارامتر کلیدی است. هنگامی که یک سوراخ باعث اتصال کوتاه می شود، ولتاژ باتری پس از پر شدن به 0 تبدیل می شود. با شارژ یک باتری اتصال کوتاه ناشی از سوراخ شدن با جریان کم، می توان ولتاژ پایداری را مشاهده کرد. هنگامی که جریان به مقدار فیوز سوراخ‌ها می‌رسد، هنوز ناخالصی‌های فلزی در داخل باتری وجود دارد که همچنان بر روی خود تخلیه باتری تأثیر می‌گذارد و در نتیجه نرخ خود تخلیه بالاتری نسبت به باتری‌های معمولی دارد. از این روش می توان برای شناسایی اتصال کوتاه باتری ناشی از فرز در حین ساخت باتری استفاده کرد. با مشاهده تغییرات ولتاژ، می‌توانیم تقویت بازرسی تجهیزات برش، قالب و سیم‌پیچ را در طول فرآیند تولید باتری هدایت کنیم تا از تولید مقادیر زیاد باتری‌های غیرمجاز جلوگیری شود. بنابراین، با شارژ باتری‌های اتصال کوتاه ناشی از سوراخ‌هایی با جریان کم و تغییرات ولتاژ نظارتی، می‌توان مشکلات در فرآیند تولید باتری را به طور موثر شناسایی کرد و کنترل‌های فرآیند مربوطه را برای اطمینان از کیفیت و عملکرد باتری هدایت کرد.
