一个1.4Ah的多层软包样本做的实验

描述

本文选自《Effect of Induced Metal Contaminants on Lithium-ion Cell Safety 》,这里做了一个1.4Ah的多层软包样本做的实验。

研究问题定义和实验验证

在使用过程中由于可能形成内部短路,锂离子电池中的金属颗粒可能会带来安全风险。不同的外部滥用实验与真实的金属颗粒残留可能存在差异性的问题,所以想要评估金属颗粒如何导致电池短路需要解决以下的问题:

1)短路的严重程度是否取决于电池内颗粒的位置?

2)短路的严重程度是否取决于颗粒的大小?(隔膜穿透与枝晶形成,引发的四种不同的内短路形式)

不同内短路形式下的产热功率和曲线

在不同的粒径下,如何检测到金属颗粒引起的影响,并在制造过程中拒绝电池?

3)内短路的严重程度是否随循环或存储而增加?

实验的方法

测试1:  500-700μm铁颗粒(易于处理)

测试2:50-150μm铁颗粒(已知金属污染物最小尺寸)

检测方法和测试

电极堆组装后的Hi-Pot测试 

这个实验有置信度的问题,较大颗粒是能给检测出来的,在阴极表面上才会让测试结果有差异

自放电(Delta-OCV)在老化过程中检查(50%SOC,35ºC下7天) 

循环寿命测试(100%DOD,1C / 1C速率,电芯加压下做35ºC) 

不同循环下的实验结果,在正极中心处最为明显,使得容量的衰减要更快一些。

电极

较大尺寸的金属颗粒

电极

较小尺寸的金属颗粒

储存测试(在35ºC加压下100%SOC)

采用自放电测试,在正极极片上的金属颗粒会产生较大的电压降,实际颗粒对于存储容量衰减差异并不大

电极

电极

在经历过循环和存储以后,电芯的自放电速度还是要更快

我们检出来自放电大的电芯,其金属污染物在阴极中心的比较明显,这个循环寿命在后面会明显加速跳下来

电极

电极

小电池实验结论:

即使是远大于隔膜厚度(20-28倍)的颗粒也不会产生内部短路,实验条件为加压下下循环

阳极的金属颗粒不会导致内部电池短路

只有初始位于阴极上的金属颗粒,如果尺寸和质量足够,会导致内部电池短路

在制造商的老化/存储工艺步骤中,可通过自放电和容量损失检测到大的金属颗粒

100μm以下的颗粒影响有限,而150μm附近的颗粒确实会导致电芯循环寿命失效

电极

一些想法:在没有外部滥用的条件下,如果在制程过程中有金属颗粒带来结果是可控的,用循环和日历存储实验的结果还可以,电芯没有出现安全性的问题。还有就是自放电实验,还是我们检测新电芯最有效的手段,能够把后期跳水的电芯有效的检测出来

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