铝壳方型锂离子电池厚度分析精品课件.pptx

铝壳方型锂离子电池厚度分析铝壳方型锂离子电池厚度分析2020年12月yang目录目录概况水分对电池厚度影响 极组及电池转序时间控制 水分测试极组热压不同SOC状态极片及电池厚度预充电电流极组结构及卷绕张力注液量对电池厚度影响异常使用对厚度影响厚度不良电池分析概况概况 方型电池一般使用金属铝作为电池壳体，壳体厚度在0.2-0.3mm之间，由于铝材质较软，电池在充放电过程及由于产气等原因导致内部压力增加时，电池厚度极易发生变化，严重时甚至会导致电池鼓胀，极端情况下电池防爆阀打开导致电池漏液造成安全事故，因此对导致电池厚度问题的相关因素进行分析，知其所以然，对改善电池厚度性能，具有重要的意义主要针对极组及电池转序时间控制、水分测试、极组热压、不同SOC状态极片及电池厚度、极组结构及卷绕张力、预充电电流、厚度不良电池分析等几个不同角度进行了分析研究水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响 在锂离子电池生产过程中，水分对电池性能有重要的影响，电池内部水分含量超标会导致电池容量、内阻、厚度、循环等 性能劣化，水分对性能影响的机理为1、水促进锂盐分解，导致容量损失，同时分解产生的HF对电池负极SEI膜有腐蚀作用2、水在负极分解产气气体 2H2O+2e H2 +OH-Li+OH-LiOH 产气反应电池中水分的来源主要有：极片、隔膜、电解液本身存在的水分及在生产过程中从环境中吸收的水分，因此为控制电池内整体水分含量需要对原材料、生产过程、生产环境、电池制造工艺等进行严格控制，首先从电池内部水分控制的角度进行分析，主要包括转序时间、烘干、环境湿度三个方面。

LiPF6 LiF +PF5 PF5 +H2O HF +POF3 锂盐分解 HF+LiCO3 H2O+CO2+LiF HF与SEI膜主要成分反应生成 导电性差的LiF 增加内阻 水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响一、转序时间 方型电池主要生产工序本次课题主要研究的转序过程为极组卷绕到电池烘干，因为这几道工序均在非干燥环境下完成，因此对电池内水分含量影响较大一、转序时间实验方案一批极组分为3组，每组500只，每组依次增加卷绕-装配、装配-周边焊、周边焊-电池烘干周转时间，同时在每个周转过程中分别测试3只烘前及3只烘后电池内部水分含量（隔膜+正极+负极）实验前首先测试3只未经放置的极组水分含量作为参考其均值为302；对比三组电池分选后厚度水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响转序过程时间定义第一组第二组第三组卷绕-装配T18h24h48h装配-周边焊T28h24h48h周边焊-电池烘干T38h24h48h实验结果组别取样时间烘前（ppm）烘后（ppm）123123第一组T1459486472235259231T2501511498241253246T3532529516243254256第二组T1621601597271254243T2668669658282293275T3725709711321314311第三组T1785804832359385391T2865871867402415422T3904911915421426419水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响一、转序时间实验数据分析电池水分测试数据分析表1 电池水分测试数据分析表2 水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响一、转序时间实验结论由数据分析对比可以得出以下几点结论电池内部水分含量随周转时间延长而增加电池从环境吸收水分主要发生在T1过程，因为此时极组未入壳暴露在空气中极易吸收水分，T2、T3阶段电池已经入壳仅通过注液孔 与外界先连，吸收水分相对困难电池水分吸收到一定程度后在现有烘干参数下，不能将水分烘出到正常水平水分含量越高电池分选后厚度均值越大且散布也越大T1T2T30200400600水分吸收量水分吸收量第1组第2组第3组水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响二、水分测试实验卡尔费休水分测试原理 电池内部正极片、负极片、隔膜水分含量一般是在ppm级别，因此一般使用卡尔费休法对其水分含量进行测量，水分测试原理为一种电化学反应，水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，消耗了的碘在阳极电解产生，从而使氧化还原反应不断进行，直至水分全部耗尽为止，依据法拉第电解定律，电解产生的碘同电解时耗用的电量成正比例关系的，其反应如下：H2O+I2+SO2+3C5H5N2C5H5NHI+C5H5NSO3碘与水消耗物质的量相同，则测试样品中水分含量计算式为：Q：反应消耗电量 m：样品中水分重量 96485：1mol电子电量 18：H2O分子量 Q2*96485=m18样品水分含量（样品水分含量（ppmppm）=m*106M=18*Q*1062*96485*M卡尔费休水分测试仪二、水分测试实验1、吸水性试验 延长烘干时间尽量将电池内部水分烘出，首先测试烘干后正极、负极、隔膜初始水分含量，然后将正极片、负极片、隔膜放置在相对湿度为25%的环境中，每小时测试一次水分含量（测试电池体系正极：LiCoO2 隔膜：9+3 陶瓷 负极：MCMB）水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响水分含量0h1h2h3h4h5h6h7h8h9h10h正极片95142 187 204 214 220 226 235 243 255 263负极片159 261 304 367 459 524 536 542 553 562 568隔膜201 359 489 612 658 679 686 695 702 714 720测试结果1、吸水性难易程度依次为：隔膜负极正极 隔膜有陶瓷涂层其主要成分为Al2O3 吸水性最强，负极为水性体系正极为油性体系 负极吸水性强于正极2、三种材料吸水主要发生在前4个小时，随着时间的延长吸水量逐渐趋于饱和水分对电池厚度影响水分对电池厚度影响二、水分测试实验2、水分烘干实验 将实验1中已经充分吸水的正极片、负极片、隔膜在相同的烘干参数下进行烘干（90 、12h、-95KPa）测试烘干完成后水分含量相同的烘干参数下，残留水分依次为：隔膜负极正极 隔膜负极正极05010015020025030024116985烘干后水分烘干后水分二、水分测试实验3、不同水分含量电池循环后厚度在极组厚度、注液量、卷绕张力、预充电流等条件均相同的情况下，分3组每组10只，分别在不同湿度条件下将极组放置2h，使电池内部水分含量不同，此3组电池做0.5C充放循环100次 对比电池厚度差异。

随着电池内部水分含量的增加，电池分容后及100次循环后的厚度均增加，且增加的幅度也变大环境湿度电池水分第1组2%205第2组15%389第3组35%563极组热压极组热压u方型电池极组入壳之前需要对极组进行热压处理，主要目的为：1、控制极组厚度在目标范围内，降低极组入壳阻力，避免极组在入壳过程造成损伤，保证电池安全2、极组整形，保证极组的平整性，降低极组充放电过程形变引起的厚度问题3、使电池正极、隔膜、负极接触更为紧密，降低内阻，避免由于接触不良导致的析锂、死区等问题u极组热压涉及相关参数有 1、热压时间-效率相关 2、热压温度-电池性能、安全相关（温度过高隔膜收缩、闭孔）3、热压压力-电池性能、安全相关（压力过大造成隔膜微观变形、闭孔）u基于极组热压的目的及参数设置不当可能会引起的电池性能及安全问题，对极组热压过程要投入足够的重视，需要科学的设定各相关参数的最佳范围以及确定三个参数对极组热压效果的影响程度极组热压极组热压u极组型号：*u实验设备：半自动热压机、极组测厚仪u实验参数：热压时间、热压温度、热压压力u实验目的：通过DOE方式确定三个参数对极组热压效果影响程度排序热压机热压板Gage name测厚仪测厚仪measure object极组厚度极组厚度%GR&R值值18.01%P/T值值6.46NDC7conclusion%GR&R20、%P/T20，NDC5 OK 极组热压极组热压极组测厚仪测量系统分析为确保实验过程所得数据的准确性，实验开始前对所有测量仪器进行Gage R&R 极组热压极组热压极组热压DOE 1、参数水平设定 参数高低温度（）10050压力（MPa）0.650.35时间（S）6030 2、实验方案全因子，两水平，2个中心点，仿行数0 标准序运行序中心点区组温度压力时间5111500.35607211500.656083111000.656010401750.54525111000.35309601750.5451711500.353068111000.356049111000.653031011500.65303、实验过程 实验共计实验共计1010组，每组，每组组4 4只极组只极组共需极组共需极组4040只只将将4040只极只极组编号，组编号，测试每只测试每只极组热压极组热压前厚度值前厚度值依实验方依实验方案标准序，案标准序，进行进行1010组组实验，记实验，记录每只极录每只极组进行的组进行的实验组数实验组数及实验后及实验后极组厚度极组厚度计算每只计算每只极组热压极组热压前后厚度前后厚度变化值变化值 H H计算每组计算每组实验实验4 4只极只极组组 H H平均平均值值实验结果实验结果分析分析极组热压极组热压4、实验结果分析 实验结果 标准序 运行序 中心点 区组 温度 压力 时间H均值5111500.35600.16257211500.65600.19583111000.65600.222510401750.5450.1625111000.35300.169601750.5450.181711500.35300.157568111000.35600.21549111000.65300.231011500.65300.185a、全部因子及其交互作用 b、删除部分不显著因子1极组热压极组热压c、删除部分不显著因子2三种情况主要参数对比对比可以发现在删除不显著因子1的情况下，S值最小，R-SQ虽不是最大但是R值差异最小因此 在此种情况下整体拟合情况最优SR-SQR-SQ（调整）R差异全部因子及交互0.014 96.12%65.07%31.05%删除不显著因子删除不显著因子1 10.011 0.011 90.49%90.49%78.61%78.61%11.88%11.88%删除不显著因子20.014 81.02%65.83%15.19%效应图结论：结论：1 1、压力、温度、时间均为影响极组热压的显、压力、温度、时间均为影响极组热压的显著因素且均为正相关关系著因素且均为正相关关系2 2、三者对热压效果的影响程度有强到弱依次、三者对热压效果的影响程度有强到弱依次为压力、温度、时间为压力、温度、时间3 3、在调整极组热压参数时应优先对压力进行、在调整极组热压参数时应优先对压力进行调整调整不同不同SOCSOC状态极片及电池厚度状态极片及电池厚度 正负极片厚度会随着电池充放电进行而膨胀和收缩，正极片在锂离子脱出后厚度变大，负极片在锂离子嵌入后厚度变大，文献资料表明正极体积膨胀在4%左右(铁锂正极在充电过程中体积会收缩满电态收缩7%左右，三元正极充电体积膨胀高于钴锂且随着镍含量增加体积膨胀增加），负极体积膨胀在10%左右（碳负极），厚度变化主要由负极体积膨胀导致；负极材料的不同充放电过程中体积膨胀不同。

目前锂离子电池产业化使用的负极材料主要分为碳材料和非碳材料（解决正负极材料充电过程中体积变化的方法有掺杂、纳米化、包覆，粘结剂优化等方法）负极材料碳材料钛酸锂硅负极硬碳人工石墨天然石墨非碳材料软碳石墨无定型碳负极材料非嵌锂态碳层间距嵌锂态碳层间距体积膨胀人工石墨0.335nm0.371nm10%-12%天然石墨0.335nm软碳0.34-0.35nm8%-10%硬碳0.38nm基本无变化硅负极NANA300%钛酸锂NANA基本无变化本次实验主要对正负极片及电池在不同SOC状态下厚度变化做实际测量实验电池体系（正极：LiCoO2 隔膜：9+3 陶瓷 负极：MCMB）不同负极体积膨胀情况不同不同SOCSOC状态极片及电池厚度状态极片及。