本文作者分析零电压的产生原因，重点分析极片毛刺导致电池零电压的现象，以准确找到短路的原因，精准解决此问题，更好地理解生产过程中极片毛刺管控的重要性。

1 实验

1.1 电池制备

实验电池以镍钴锰酸锂材料（NCM111）作为正极活性物质。将正极活性物质、导电剂SP 炭黑、黏结剂聚偏氟乙烯PVDF和溶剂NMP按照质量比66∶2∶2∶30搅拌，制成浆料，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(120±3)℃的烤箱中干燥24h，辊压后,极片的压实密度为3.28g/cm3。

以钛酸锂材料Li4Ti5O12作为负极活性物质。将负极活性物质、导电剂SP炭黑、黏结剂PVDF和溶剂NMP按照质量比52∶2∶2∶44搅拌，制成浆料，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(110±3)℃的烤箱中干燥24h，辊压后，极片的压实密度为1.85g/cm3。干燥后的极片经分切后，极片宽度（136.0±1.0）mm，极片毛刺不超过12μm。

以1mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC（体积比1∶1∶1）为电解液，20μm厚的聚乙烯(PE)多孔隔膜为隔膜，制备66160型电池，容量设计为45Ah。卷绕组装后，将铝壳顶盖焊封，将实验电池放置在温度(85±3)℃的烤箱中，干燥24h，再向电芯注液，注液量均为200g。注液后的电池在常温下静置72h，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。

1.2 充电测试

用交流内阻测试仪进行内阻和电压分析。用5V-50A高精度电池性能检测系统进行充电性能测试。对注液后静置结束的电池进行电压测试时,短路电池的电压为0，即为零电压电池。对零电压电池进行充电测试。在环境温度(25±3)℃下，采用1A、2A和3A等不同电流充电,充电结束后,观察电池电压的变化情况。按照电流从小到大、时间由短到长进行实验,充电时间分别设置为5s、10s、25s。

1.3 自放电测试

采用二次元测试仪进行极片毛刺分析。用交流内阻测试仪进行内阻和电压分析。用5V-50A高精度电池性能检测系统测试电性能。用高温箱控制电池温度。

化成前的零电压电池，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120min；②1.0C恒流充电至截止电压2.8V后。转恒压充电,充电截止时间2h；③搁置10min；④1.0C恒流放电至截止电压1.5V后，转恒压放电，放电截止时间2h；⑤搁置10min；⑥重复②到⑤步骤3次；⑦1.0C恒流充电，充电时间0.7h，再以2.3V恒压充电，截止电流 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24h后，进行开路电压测试并记录。电池继续在常温下静置，一个月、两个月后，再次进行开路电压测试并记录。

2 结果与讨论

2.1 化成前电池电压对比

1A、2A充电过程中及停止充电后的电池电压见图1。从图1可知，零电压电池可近似看作内部存在毛刺短路。该电池可承受1min内2A以下电流的测试。当充电电流为1A、2A时，由于内部存在毛刺导致的短路，电压达到一个稳定值后不再变化；当停止充电后，电压快速恢复到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。

从图2可知，当充电电流达到3A时，电池在5s和10s充电时间下，电压状态与1A、2A充电类似。继续延长充电时间，当充电时间超过10s后，电压缓慢上升；当充电时间达到20s后，电压快速上升，充电停止后，电压缓慢下降，短时间内没有出现之前的零电压现象。由充电过程中电压变化的速度可知，此时，电池内部的毛刺已因充电产生的热量发生了热熔断。毛刺熔断之前，在充电开始后的10~20s内，电压出现一个缓慢上升的阶段。20s后，毛刺熔断，此时电池电压出现快速上升。停止充电后，电池电压缓慢降低。毛刺熔断后，金属杂质仍然残留在电池内部，导致自放电快于正常电池。对该电池进行正常化成后，测试自放电速度。

2.2 化成后电池自放电对比

实验选取的电池按照1.3节化成工艺进行充放电，步骤⑦结束后，电池荷电状态(SOC)约为80%。在常温下对电池进行自放电测试，并选取正常电池和同批包含杂质电池进行对比，测试数据见表1。

从表1可知，毛刺导致的电池自放电现象确实存在，影响了电池的荷电保持能力。采用充电电流分析自放电异常的原因，可直观地反映出制造过程中极片毛刺的异常状况，说明在生产过程中应进一步加强工艺控制要求，及时维护刀具,保证电池的性能，减少安全隐患。毛刺熔断后，极片内部仍存在金属杂质。测量电池分容后的自放电数据可知，正常电池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，说明毛刺过大电池的自放电率大于正常电池。结合化成前的电压和分容后的自放电数据分析可知，毛刺过大，将导致电池荷电保持性能出现异常。电池极片存在的毛刺不会完全消失，将长期影响电池的性能。

3 结论

电池制造过程中，控制极片毛刺大小是一项关键参数。毛刺导致短路后，电池在注液后的电压为0。对毛刺引发的短路电池进行小电流充电，会出现电压恒定不变的现象，当电流达到毛刺熔断值后，电池内部存在金属杂质，会继续影响电池的自放电，自放电率大于正常电池。该方法可以识别电池制造过程中毛刺引发的电池短路，从而指导在电池生产过程中，加强对分切、模切、卷绕设备进行排查，避免大批量不合格电池的产生。

文献参考：韩任杰.极片毛刺导致电池短路的检测方法[J].电池,2023,53(5):538-540

标签： 电源电力 点击： 评论: