如何检测电池极片毛刺导致的短路问题

如何检测电池极片毛刺导致的短路问题

电池极片毛刺是影响电池性能和安全的重要因素之一。本文通过实验研究了极片毛刺导致电池短路的具体表现，并提出了一种通过充电测试来检测和分析这种短路现象的方法。

实验

1.电池制备

本实验使用镍钴锰酸锂材料（NCM111）作为正极活性物质，并按质量比66∶2∶2∶30混合正极活性物质、导电剂SP炭黑、黏结剂聚偏氟乙烯PVDF和溶剂NMP，制成浆料。

浆料涂覆在15μm厚的涂碳铝箔上，单面涂覆量为270g/m2。将正极极片放置在温度为(120±3)℃的烤箱中干燥24小时，然后进行辊压，使极片的压实密度为3.28g/cm3。

负极活性物质采用钛酸锂材料Li4Ti5O12，按质量比52∶2∶2∶44混合负极活性物质、导电剂SP炭黑、黏结剂PVDF和溶剂NMP，制成浆料。浆料涂覆在15μm厚的涂碳铝箔上，单面涂覆量为214g/m2。将负极极片放置在温度为(110±3)℃的烤箱中干燥24小时，然后进行辊压，使极片的压实密度为1.85g/cm3。

干燥后的极片经过分切，宽度为（136.0±1.0）mm，极片毛刺不超过12μm。电解液采用1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC（体积比1∶1∶1），隔膜为20μm厚的聚乙烯(PE)多孔隔膜。

将上述材料组装制备成66160型电池，设计容量为45Ah。在卷绕组装后，将铝壳顶盖焊封，并将实验电池放置在温度为(85±3)℃的烤箱中干燥24小时。

干燥后，向电芯注液，注液量均为200g。注液后的电池在常温下静置72小时，静置结束后，对所有实验电池进行开路电压(OCV)测试，记录电池内阻和电压。

2.充电测试

在进行内阻和电压分析时，使用交流内阻测试仪进行测试。使用5V-50A高精度电池性能检测系统对电池进行充电性能测试。对于注液后静置结束的电池，在进行电压测试时，首先短路电池使其电压降为0，即为零电压电池。

然后对零电压电池进行充电测试。在环境温度为(25±3)℃下，采用不同电流（例如1A、2A和3A）进行充电。按照电流从小到大、时间由短到长的顺序进行实验，充电时间分别设置为5秒、10秒和25秒。在每个充电时间结束后观察电池电压的变化情况。

3.自放电测试

采用二次元测试仪进行极片毛刺分析，交流内阻测试仪进行内阻和电压分析，5V-50A高精度电池性能检测系统测试电性能，高温箱控制电池温度。化成前的零电压电池经充电后，毛刺熔断，零电压不再出现。

对该电池进行正常化成流程测试，化成工艺如下：

①高温箱温度达到120℃后，搁置120分钟；

②以1.0倍C电流充电至截止电压2.8V，然后转恒压充电，充电截止时间为2小时；

③搁置10分钟；

④以1.0倍C电流放电至截止电压1.5V，然后转恒压放电，放电截止时间为2小时；

⑤搁置10分钟；

⑥重复第2到第5步骤3次；

⑦以1.0倍C电流充电，充电时间为0.7小时，然后以2.3V恒压充电，截止电流为0.45A；

对化成后的电池进行自放电测试。采用测试静态电压的方法，测试电压时长不少于两个月。电池在常温(25±5)℃下静置24小时后，进行开路电压测试并记录。随后，电池继续在常温下静置一个月和两个月后，再次进行开路电压测试并记录。

结果与讨论

1.化成前电池电压对比

图1显示了1A和2A充电过程中以及停止充电后的电池电压变化情况。从图中可以看出，零电压电池可以近似看作内部存在毛刺导致的短路现象。

该电池可以承受1分钟内2A以下的电流测试。当充电电流为1A和2A时，由于内部毛刺导致的短路，电压达到一个稳定值后不再变化。当停止充电后，电压迅速恢复到0。

继续增大充电电流,将充电电流改为3A，充电时间分别设置为5s、10s、25s，电池的充电测试曲线见图2。

根据图2的观察，当充电电流达到3A时，在5秒和10秒的充电时间下，电池的电压变化情况与1A和2A充电类似。

随着充电时间的延长，当充电时间超过10秒后，电压缓慢上升。当充电时间达到20秒后，电压迅速上升，充电停止后，电压缓慢下降，并且在短时间内没有出现之前的零电压现象。

根据充电过程中电压变化的速度，可以得出结论：此时电池内部的毛刺已经因充电产生的热量发生了热熔断。在毛刺熔断之前，充电开始后的10至20秒内，电压呈现缓慢上升的阶段。

20秒后，毛刺熔断，此时电池电压迅速上升。停止充电后，电池电压缓慢降低。值得注意的是，在毛刺熔断之后，金属杂质仍然残留在电池内部，导致自放电速度快于正常电池。因此，在对该电池进行正常化成后，需要测试其自放电速度。

2.化成后电池自放电对比

实验选取的电池按照1.3节的化成工艺进行充放电，经过步骤⑦后，电池的荷电状态(SOC)约为80%。在常温下进行了电池的自放电测试，并与同批次包含杂质的电池进行了对比。测试数据如表1所示。

从表1可以看出，毛刺导致的电池自放电现象确实存在，并对电池的荷电保持能力产生了影响。通过充电电流分析自放电异常的原因，可以直观地反映制造过程中极片毛刺的异常情况。

这说明在生产过程中需要进一步加强工艺控制要求，及时维护刀具，以确保电池的性能，减少安全隐患。毛刺熔断后，极片内部仍然存在金属杂质。

根据测量电池分容后的自放电数据，可以得出结论：正常电池在常温下静置一个月后，电压降低约7mV；两个月后，电压降低约10mV。这表明毛刺过大的电池自放电速率大于正常电池。

综合考虑化成前的电压和分容后的自放电数据分析，可以得出结论：毛刺过大将导致电池荷电保持性能异常。电池极片上存在的毛刺不会完全消失，长期影响电池的性能。

结论

在电池制造过程中，控制极片毛刺的大小是一个关键参数。当毛刺导致短路发生后，电池在注液后的电压会变为0。通过对毛刺引发的短路电池进行小电流充电，可以观察到电压稳定不变的现象。

当电流达到毛刺熔断值时，电池内部仍存在金属杂质，这将继续影响电池的自放电，导致自放电率高于正常电池。这种方法可以用于识别电池制造过程中由毛刺引发的电池短路。

通过观察电压的变化，可以指导在电池生产过程中加强对分切、模切和卷绕设备的排查，以避免大批量的不合格电池产生。

因此，通过对毛刺引发的短路电池进行小电流充电并监测电压变化，可以有效识别电池制造过程中的问题，并指导相关工艺控制，以确保电池的质量和性能。