电池极片毛刺导致电池短路的检测方法

电池极片毛刺导致电池短路的检测方法

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

实验电池以锲钻锦酸锂材料（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15u田厚的涂碳铝

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,转压后，极片的压实密度为3.28g/cm3o

以钛酸锂材料Li4Ti5012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15Um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,转压后，极片

的压实密度为1.85g/cm3o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1211mo

以lmol/LLiPF6/EC+EMC+DMC（体积比1：1：1）为电解液，20um

厚的聚乙烯（PE）多孔隔膜为隔膜，制备66160型电池，容量设计为

45Aho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-5OA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)°C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、25so

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c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；②L0C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lOmin；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lOmin；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)°C

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t式并记录。

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Imin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Oo

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%o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U

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，保证电泡的性能，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。