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鋰離子電池極片涂層氣泡缺陷研究

文章作者頭像
發布:liuxianglong 來源: 中國汽車工業協會
PostTime:1-2-2020 11:09
粉塵、水分和毛刺是鋰離子電池生產過程中需要嚴格控制的關鍵因素。嚴格控制電池生產環境的粉塵對鋰離子電池的安全和性能至關重要。

以下為文章全文:(本站微信公共賬號:cartech8)


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導讀:粉塵、水分和毛刺是鋰離子電池生產過程中需要嚴格控制的關鍵因素。嚴格控制電池生產環境的粉塵對鋰離子電池的安全和性能至關重要。生產環境粉塵控制不足會導致涂層表面產生大量的氣泡,由于鋰離子電池的極片表面質量對電池使用性能影響很大,如果極片上存在氣泡等異常點,會使電池的循環壽命、放電穩定性和使用安全性存在較大隱患。因此,涂布液的脫泡技術和涂布后極片表面氣泡消除問題值得研究。

1 涂層氣泡概述

1.1 涂層氣泡現狀描述

生產中發現,涂布時涂層表面會出現大小不一的圓形異常區域,經過輥壓機輥壓后,圖 1 中涂覆區表面出現的圓形顏色異常區域即為氣泡,圓形區內部顏色較深,說明此處碳層偏薄,輕度凹陷導致未輥壓到;圓形區邊緣出現亮色邊線,是因為此處偏厚,壓實密度較大。

圖1 帶有氣泡的負極片

1.2 氣泡微觀成像及來源分析

涂層出現氣泡會導致生產報廢,那么氣泡出現的原因是什么呢?只有了解氣泡構成才能查出氣泡來源,進而從根本上消除氣泡。從生產現場選取帶有氣泡的負極片,取樣后使用掃描電鏡放大200 倍觀察,發現氣泡處有異物,呈纖維狀或者片狀,如圖2 所示,說明此類極片在涂布時涂布液內混入了雜質,此類雜質是由于生產過程中環境潔凈度不合格導致。

圖 2 掃描電鏡 200 倍放大圖

1.3 電池拆解、循環實驗及氣泡危害分析

1.3.1 循環實驗及電性能分析

將氣泡極片制成3 只電池,在常溫下進行500 次循環性能實驗,當電池容量保持率低于90%時實驗自動終止。3 只電池使用的負極氣泡極片比例占電池總負極片的比例分別為10%、40%、70%,電池的循環結果見圖3,實驗結果見表1。

圖 3 有氣泡電池的循環性能

表 1 有氣泡電池循環實驗結果

從表1 中數據可以看出,3 只電池的循環性能都較差,且電池內部氣泡極片比例越高,循環性能越差。電池2 和電池3由于容量保持率低于90%,提前終止了循環實驗;電池1 循環500次后的容量保持率較低,滿足不了客戶要求,因此,制定消泡措施意義重大。

1.3.2 電池拆解及安全性能分析

將上述3只電池在滿電狀態下解剖,氣泡處外觀如圖4所示。

圖4 電池滿電解剖后負極片上的氣泡

從圖4可以看出,與正常區域相比,化成后氣泡中心是白色,說明此處發生析鋰,周圍有一圈暗灰色過渡,說明此處碳層較厚,鋰離子未完全嵌入,剛好與圖1 對應。原理是:電池充放電時發生電泳反應,當正極片對面的負極部位容量不足時,充電時所產生的部分或全部的鋰就無法插入負極石墨的間層結構中,會在負極片表面析出,形成突起狀枝晶,而下一次充電時,這個突起部分更容易造成鋰的析出,經過幾十至上百次的循環充放電后,枝晶會長大,最后會刺穿隔膜,使內部產生短路,導致安全事故發生。因此應盡量杜絕涂布表面氣泡的產生。

2 消泡措施

要從根本上消除極片表面氣泡,需要找到氣泡產生的原因。

2。1 氣泡產生原理

在合漿、轉運和涂布過程中,粉塵或長度較大的毛絮物等異物混入涂布液中或落到濕涂層表面,該處涂層表面張力因受外力影響導致分子間作用力發生改變,漿料發生輕度轉移,經烘干后形成圓形痕跡,中間偏薄,其變化過程如圖5 所示。

圖5 異物產生氣泡過程

2.2 消泡措施

結合鋰電池生產工藝,針對由異物導致的這種涂布氣泡,需要找出生產過程中漿料可能混入異物的所有環節,加以嚴格控制,才能減少此類氣泡,例如原材料自帶異物、原材料存儲不當混入異物、合漿攪拌過程混入異物、漿料轉運過程混入異物、車間大環境中異物落入漿料和濕涂層表面從而產生的涂布氣泡等。需要提高車間環境潔凈度和加強生產過程密閉性、減少外界異物與涂布漿料接觸等方法來消除涂布氣泡,

具體包括:

(1)嚴控原材料的生產、包裝、運輸、存儲等過程,禁止異物混入;加強原材料入檢。

(2)保持合漿車間潔凈度。采用自動投料設備,減少投料過程人員參與;合漿車間的人員和物料通道要分開布置。

(3)攪拌完成的漿料禁止暴露在外部環境中,要密封保存。

(4)合漿工和涂布工著裝規范,穿防塵服,并使用無塵布、橡膠手套等無塵無屑的勞保用品進行作業。

(5)涂布機周圍的環境潔凈度要達標,防止異物落到濕涂層表面,包括以下幾點:涂布機頭料槽要加蓋防護罩,防止異物落入料中;涂布機烘箱內部和進出風道要定期清理除塵;涂布機進風要經過嚴格過濾且定期更換濾芯;涂布機出風口要安裝單向閥門,避免停機時外部污染源倒灌入涂布機烘箱。

(6)當增加涂布烘箱排風量時,會突然出現大量涂布氣泡,

原因是:涂布烘箱進出風道積塵較多,很難清理,增大風量會將積塵吹入烘箱落在濕涂層上,產生大量涂布氣泡。消泡措施包括:一,烘箱風道定期除塵;二,將烘箱風量數據固化在工藝文件中,無權限人員不得隨意調節。

實際生產中,一旦出現氣泡,可以根據上述措施逐條排除,只有上述多項措施全面持續地實施,才可以持續降低生產現場的氣泡報廢率,從而提高產品質量、降低生產成本。

3 電池性能的改善和提升

消泡措施實施后,取2只正常無氣泡電池在常溫下進行500次循環性能實驗,當電池容量保持率低于90%時實驗自動終止。電池的循環結果見圖6。

圖6 正常無氣泡電池循環性能

表2 無氣泡電池循環實驗結果

將表2 中的正常電池循環數據與表1 中的有氣泡電池循環數據對比,可以看出消泡措施全面實施后,正常電池循環500 次的容量保持率平均高于有氣泡電池2%以上,證明了消泡措施的實施對電池循環壽命有很大的提升。

4 小結

涂布氣泡問題嚴重影響電池生產過程,會增加生產成本,降低電池放電性能和安全性能。本文結合鋰電池實際生產情況,全面介紹了涂層產生氣泡的原因、氣泡的微觀形貌及各類針對性措施,并對措施實施前后的產出電池進行了電性能實驗和對比分析。在生產過程中要多積累經驗,發生問題時要針對實際情況進行具體分析,才能快速高效的消除涂布氣泡,確保電池質量。

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