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鋰電極片穩(wěn)定性與均勻性監(jiān)控新方法
日期:2021-02-09   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
隨著鋰離子電池在手機(jī)、電腦、汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人們對(duì)電池的安全性、能量密度和功率密度性能的需求越來越高。為了提高鋰離子電池的能量密度和功率密度,一些鋰電新材料和新技術(shù)亟待開發(fā)。鋰離子電池生產(chǎn)由多個(gè)工藝過程組成,為了得到安全可靠性高且性能一致性好的電池,需要對(duì)每一個(gè)生產(chǎn)工藝制定嚴(yán)格的監(jiān)控措施,確保不良品不流入市場(chǎng)。為了節(jié)約生產(chǎn)成本,提升生產(chǎn)效率,電池企業(yè)更加希望能在前工序階段就能快速識(shí)別出異常,及時(shí)做出相應(yīng)改善措施。目前大多數(shù)電池企業(yè)在前工序常用的監(jiān)控方法主要包括監(jiān)控以下參數(shù):漿料黏度、漿料固含量、涂布質(zhì)量、壓實(shí)密度,這些方法雖然可以一定程度上監(jiān)控出工序波動(dòng),但還不足以滿足監(jiān)控成品電芯一致性的要求。極片是電池前端工序的一個(gè)重要輸出,極片的電子電阻(電導(dǎo)率)影響全電池的功率性、可靠性及安全性,同時(shí)它又與攪拌、涂布和輥壓工序息息相關(guān),因此,測(cè)量極片電阻的變化可以較好地評(píng)價(jià)極片制作過程中電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的性能,評(píng)估電極微觀結(jié)構(gòu)的均勻性以及監(jiān)控極片制作工藝的穩(wěn)定性,助力改進(jìn)極片的配方以及攪拌、涂布和輥壓工藝的控制參數(shù)。

目前,測(cè)試極片電子電阻主要有兩種原理:四探針法和兩探針法。四探針法只能表征極片表面涂層的電阻,忽略了涂層和集流體的界面電阻,與極片在電池中的實(shí)際使用情況不符,因此不用于測(cè)試鋰離子電池極片電阻1-2。兩探針法能表征極片的整體穿透內(nèi)阻,包含涂層電阻、涂層與集流體界面電阻以及集流體本身電阻,測(cè)試時(shí)的電子傳導(dǎo)路徑與極片在電池中實(shí)際使用時(shí)的電子傳導(dǎo)路徑相同,大多數(shù)企業(yè)和科研工作者采用該方法進(jìn)行極片電阻表征2-4。本文使用的方法是在兩探針法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn),采用四線法加可控壓雙圓盤電極,測(cè)試極片電子電阻,監(jiān)控涂布和輥壓工序極片電阻的變化,將電芯的風(fēng)險(xiǎn)控制提前至極片端,從而為鋰離子電池研發(fā)和生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備:極片電阻儀:型號(hào)BER1300(IEST元能科技),電極直徑14mm,施加壓強(qiáng)25MPa,保壓時(shí)間25s。設(shè)備如圖1(a)和1(b)所示。

1.2 測(cè)試方法:將輥壓后的極片剪切成約5cm×10cm的長(zhǎng)方形尺寸,放置于極片電阻儀兩電極之間,在MRMS軟件上設(shè)置測(cè)試壓強(qiáng),保壓時(shí)間參數(shù),開始測(cè)試,軟件自動(dòng)讀取極片厚度、電阻、電阻率、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)。

每個(gè)極片隨機(jī)選取10個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試,并按公式(1)計(jì)算變異系數(shù)COV(Coefficient of Variation),COV越大說明極片均勻性越差。

其中n代表測(cè)試數(shù)量,代表所有測(cè)試電阻的均值。

2.工藝監(jiān)控案例

2.1 極片批次穩(wěn)定性監(jiān)控
極片電阻受導(dǎo)電劑分散、涂布重量、冷壓參數(shù)等多種因素影響,其中導(dǎo)電劑對(duì)電阻的影響非常顯著3。正極導(dǎo)電劑的分散情況與漿料配方、攪拌條件、涂布/烘干條件等眾多復(fù)雜工藝控制參數(shù)有關(guān),導(dǎo)電劑分散不均將極大惡化電池動(dòng)力學(xué)性能,但不均勻性很難通過極片外觀、粘接力等常規(guī)監(jiān)控手段發(fā)現(xiàn),往往容易被忽略,造成不可挽回的損失。

在電芯研發(fā)初期,通過對(duì)三元極片電阻的大量測(cè)試和監(jiān)控,初步制定正常極片電阻范圍為0.2~0.4Ω,在電芯導(dǎo)入量產(chǎn)階段后,對(duì)不同批次極片進(jìn)行電阻監(jiān)控。如圖2(a)是對(duì)6個(gè)批次極片進(jìn)行的極片電阻測(cè)試,黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表單次測(cè)試電阻值,紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表電阻均值,綠色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表電阻COV。從電阻數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)有3個(gè)批次電芯極片電阻大于0.4Ω,明顯超出規(guī)格,進(jìn)一步對(duì)正常和異常批次的極片進(jìn)行SEM形貌分析,如圖2(b)和2(c),正常批次極片中導(dǎo)電碳的分布較均勻,而異常批次極片的導(dǎo)電碳出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象,由于測(cè)試極片電阻時(shí)是隨機(jī)選取極片不同位置,導(dǎo)電碳分布不均會(huì)導(dǎo)致無導(dǎo)電碳的位置處極片電阻明顯增大。因此,通過監(jiān)控極片電阻的變化可在極片端快速識(shí)別異常極片,避免不良極片流入下一工序,節(jié)約生產(chǎn)成本。

2.2 極片涂布均勻性監(jiān)控
為了提升電池能量密度,硅碳混合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究逐漸增多,如何控制硅碳混合材料在極片中的分布均勻性對(duì)負(fù)極的膨脹以及電位分布有顯著影響。監(jiān)控不同工藝參數(shù)條件下極片電阻的變化可評(píng)估硅碳材料混合均勻性。

如圖3是兩種混料工藝的極片進(jìn)行的極片電阻測(cè)試和SEM形貌表征結(jié)果。由圖3(a)可看出混料1的極片電阻均值和COV均明顯高于混料2組,說明混料1的均勻性差于混料2 的極片。結(jié)合圖3(b)和3(c)SEM形貌分析可看出,混料1組極片中硅碳的混合不均勻,有較多單獨(dú)的硅顆粒存在,因此導(dǎo)致極片電阻均值增大,且不同位置處的極片電阻差異較大,從而電阻COV較大,而混料2組中硅碳混合相對(duì)均勻,電阻的均值和COV均較小,進(jìn)一步證明混料2對(duì)應(yīng)的混料工藝較好。

3.總結(jié)
本文使用的四線法加可控壓雙圓盤電極的方法測(cè)試極片電阻,能較好的應(yīng)用于監(jiān)控極片工藝的穩(wěn)定性和均勻性,且極片電阻數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)連接BIS或MES系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可記錄、可追溯。目前已有多家材料和電池企業(yè)將該方法導(dǎo)入產(chǎn)線工藝監(jiān)控,對(duì)工藝參數(shù)及工藝穩(wěn)定性進(jìn)行快速有效的評(píng)估,將電芯的風(fēng)險(xiǎn)控制提前至極片端,加速鋰離子電池研發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)度,滿足市場(chǎng)需求。

原標(biāo)題:鋰電極片穩(wěn)定性與均勻性監(jiān)控新方法
 
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來源:元能科技
 
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