تحلل هذه المقالة أسباب انعدام الجهد. وتركز على ظاهرة انعدام الجهد في البطارية بسبب نتوءات الأقطاب الكهربائية. ومن خلال تحديد سبب ماس كهربائي، نهدف إلى حل المشكلة بدقة وفهم أهمية التحكم في نتوءات الأقطاب الكهربائية أثناء الإنتاج بشكل أفضل.
تجربة
1. تحضير البطارية
تستخدم هذه التجربة مادة منجنات الليثيوم والنيكل والكوبالت (NCM111) كمادة نشطة موجبة. امزج المادة النشطة الموجبة، وكربون SP الأسود، وموثق PVDF، ومذيب NMP بنسبة كتلة 66:2:2:30 لعمل عجينة. يتم طلاء العجينة على رقاقة ألمنيوم مطلية بالكربون بسمك 15 ميكرومتر، وكمية الطلاء على أحد الجانبين 270 جم/م2. ضع القطب الموجب في فرن عند درجة حرارة (120±3) درجة ليجف لمدة 24 ساعة، ثم يتم إجراء عملية التقويم لجعل الكثافة المضغوطة للقطب 3.28 جم/سم3. تستخدم المادة النشطة السالبة مادة تيتانات الليثيوم Li4Ti5O12. امزج المادة النشطة السلبية، وعامل التوصيل الأسود الكربوني SP، وموثق PVDF ومذيب NMP وفقًا لنسبة الكتلة 52:2:2:44 لعمل عجينة. يتم طلاء عجينة الأنود على رقاقة ألمنيوم مطلية بالكربون بسمك 15 ميكرومتر، وكمية الطلاء على جانب واحد هي 214 جم / م 2. ضع القطب السالب في فرن عند درجة حرارة (110 ± 3) درجة ليجف لمدة 24 ساعة، ثم قم بعملية الدرفلة لجعل الكثافة المضغوطة لقطعة القطب 1.85 جم / سم 3. يتم قطع القطب المجفف إلى قطع بعرض (136.0 ± 1.0) مم، ويجب ألا تتجاوز نتوءات القطب 12 ميكرومتر. يستخدم الإلكتروليت 1 مول / لتر LiPF6 / EC + EMC + DMC (نسبة الحجم 1: 1: 1). الفاصل هو فاصل مسامي من البولي إيثيلين (PE) بسمك 20 ميكرومتر. تم تجميع المواد المذكورة أعلاه في 66160 خلية بسعة تصميمية 45 أمبير/ساعة، وبعد اللف والتجميع تم لحام الغطاء العلوي للغلاف الألومنيوم وإغلاقه، وتم وضع الخلايا التجريبية في فرن بدرجة حرارة (85±3) درجة مئوية لتجف لمدة 24 ساعة.
بعد التجفيف، تم ملء خلايا البطارية، وكانت كمية الإلكتروليت 200 جرام. بعد ملء الإلكتروليت، تركت الخلايا لتقف في درجة حرارة الغرفة لمدة 72 ساعة. بعد الوقوف، تم اختبار جميع الخلايا التجريبية لجهد الدائرة المفتوحة (OCV)، وتم تسجيل المقاومة الداخلية وجهد البطارية.
2. اختبار الشحن
عند إجراء تحليل المقاومة الداخلية والجهد، استخدم جهاز اختبار المقاومة الداخلية للتيار المتردد للاختبار. استخدم نظام اختبار أداء البطارية عالي الدقة 5V-50A لاختبار أداء شحن البطارية. بالنسبة للخلايا التي تُركت واقفة بعد التعبئة، عند إجراء اختبار الجهد، قم أولاً بعمل دائرة قصر للخلية لتقليل جهدها إلى 0، وهي خلية ذات جهد صفري.
ثم قم بإجراء اختبار شحن على الخلية ذات الجهد الصفري. عندما تكون درجة الحرارة المحيطة (25±3) درجة، يتم استخدام تيارات مختلفة (مثل 1A و2A و3A) للشحن. أجريت التجارب بترتيب التيار من الصغير إلى الكبير والوقت من القصير إلى الطويل. تم ضبط وقت الشحن على 5 ثوانٍ و10 ثوانٍ و25 ثانية على التوالي. لاحظ التغييرات في جهد البطارية بعد كل وقت شحن.
3. اختبار التفريغ الذاتي
استخدم جهاز اختبار ثنائي الأبعاد لتحليل نتوءات الأقطاب الكهربائية. استخدم جهاز اختبار المقاومة الداخلية للتيار المتردد لتحليل المقاومة الداخلية والجهد. استخدم نظام اختبار أداء البطارية عالي الدقة 5 فولت -50 لاختبار الأداء الكهربائي. استخدم صندوق درجات الحرارة العالية والمنخفضة للتحكم في درجة حرارة الخلايا. بعد شحن الخلايا ذات الجهد الصفري قبل التكوين، لم تعد الصمامات النتوءية تظهر والجهد الصفري. اختبر عملية التكوين الطبيعية لهذه البطارية. تكون عملية التكوين كما يلي:
①بعد أن تصل درجة حرارة صندوق درجة الحرارة المرتفعة إلى 120 درجة، انتظر لمدة 120 دقيقة.
②اشحن بتيار 1.0 مرة C حتى يصل جهد القطع إلى 2.8 فولت، ثم انتقل إلى الشحن بجهد ثابت. وقت قطع الشحن هو ساعتان.
③انتظر لمدة 10 دقائق.
④قم بالتفريغ بتيار C بمقدار 1.0 مرة حتى يصل جهد القطع إلى 1.5 فولت، ثم قم بالتبديل إلى تفريغ الجهد الثابت. وقت قطع التفريغ هو ساعتان.
⑤انتظر لمدة 10 دقائق.
⑥كرر الخطوات من 2 إلى 5 3 مرة.
⑦اشحن بتيار 1.0 مرة C، ووقت الشحن 0.7 ساعة، ثم اشحن بجهد ثابت 2.3 فولت، وتيار القطع 0.45 أمبير. قم بإجراء اختبار التفريغ الذاتي على الخلايا المشكلة. استخدم طريقة اختبار الجهد الساكن واختبر الجهد لمدة لا تقل عن شهرين. بعد ترك الخلايا واقفة في درجة حرارة الغرفة (25±5) درجة لمدة 24 ساعة، يتم اختبار جهد الدائرة المفتوحة وتسجيله. بعد ذلك، استمرت الخلايا في الوقوف في درجة حرارة الغرفة لمدة شهر وشهرين، ثم تم اختبار جهد الدائرة المفتوحة وتسجيله مرة أخرى.
النتائج والمناقشة
1. مقارنة جهد البطارية قبل التكوين
يوضح الشكل 1 تغيرات جهد البطارية أثناء الشحن بجهد 1 أمبير و2 أمبير وبعد إيقاف الشحن. يمكن ملاحظة من الشكل أن البطارية ذات الجهد الصفري يمكن اعتبارها تقريبًا ماس كهربائي ناتج عن نتوءات داخلية. يمكن للبطارية أن تتحمل اختبار تيار أقل من 2 أمبير في غضون دقيقة واحدة. عندما يكون تيار الشحن 1 أمبير و2 أمبير، بسبب ماس كهربائي ناتج عن نتوءات داخلية، يصل الجهد إلى قيمة مستقرة ولا يتغير بعد الآن. عند إيقاف الشحن، يعود الجهد بسرعة إلى 0.
استمر في زيادة تيار الشحن، وقم بتغيير تيار الشحن إلى 3 أمبير، واضبط وقت الشحن على 5 ثوانٍ، و10 ثوانٍ، و25 ثانية على التوالي. يظهر منحنى اختبار شحن البطارية في الشكل 2.
وفقًا للملاحظة في الشكل 2، عندما يصل تيار الشحن إلى 3 أمبير، يكون تغيير الجهد في البطارية مشابهًا لشحن 1 أمبير و2 أمبير في وقت شحن 5 ثوانٍ و10 ثوانٍ. مع إطالة وقت الشحن، عندما يتجاوز وقت الشحن 10 ثوانٍ، يرتفع الجهد ببطء. عندما يصل وقت الشحن إلى 20 ثانية، يرتفع الجهد بسرعة. بعد توقف الشحن، ينخفض الجهد ببطء، ولا تظهر ظاهرة الجهد الصفري السابقة في فترة زمنية قصيرة.
بناءً على سرعة تغير الجهد أثناء الشحن، يمكن استنتاج أن النتوءات داخل البطارية قد اندمجت حرارياً بسبب الحرارة الناتجة عن الشحن. قبل أن تندمج النتوءات، يظهر الجهد مرحلة ارتفاع بطيء في غضون 10 إلى 20 ثانية بعد بدء الشحن.
بعد 20 ثانية، تنصهر الشفرات، ويرتفع جهد البطارية بسرعة. بعد إيقاف الشحن، ينخفض جهد البطارية ببطء. تجدر الإشارة إلى أنه بعد انصهار الشفرات، تظل الشوائب المعدنية داخل البطارية، مما يتسبب في تفريغ ذاتي أسرع من البطاريات العادية. لذلك، بعد تطبيع البطارية، من الضروري اختبار معدل تفريغها الذاتي.
2. مقارنة التفريغ الذاتي للبطارية بعد التكوين
تم شحن وتفريغ البطارية المختارة للتجربة وفقًا لعملية التكوين المذكورة أعلاه. بعد الخطوة ⑦، كانت حالة الشحن (SOC) للبطارية حوالي 80%. تم إجراء اختبار التفريغ الذاتي للبطارية في درجة حرارة الغرفة ومقارنتها بالبطاريات التي تحتوي على شوائب من نفس الدفعة. تظهر بيانات الاختبار في الجدول 1.
من الجدول 1، يمكن ملاحظة أن التفريغ الذاتي للبطارية الناجم عن النتوءات موجود بالفعل وله تأثير على قدرة البطارية على الاحتفاظ بالشحن. إن تحليل أسباب الشذوذ في التفريغ الذاتي من خلال تيار الشحن يمكن أن يعكس بشكل حدسي الوضع غير الطبيعي لنتوءات الأقطاب الكهربائية أثناء عملية التصنيع.
يُظهر هذا أنه من الضروري تعزيز متطلبات التحكم في العملية بشكل أكبر أثناء عملية الإنتاج وصيانة القاطع في الوقت المناسب لضمان أداء البطارية وتقليل المخاطر الأمنية. بعد نفخ النتوء، لا تزال هناك شوائب معدنية داخل القطب.
وفقًا لبيانات التفريغ الذاتي بعد قياس سعة البطارية، يمكن الاستنتاج أنه بعد ترك البطارية العادية في درجة حرارة الغرفة لمدة شهر واحد، ينخفض الجهد بحوالي 7 مللي فولت؛ وبعد شهرين، ينخفض الجهد بحوالي 10 مللي فولت. وهذا يوضح أن معدل التفريغ الذاتي للبطاريات ذات النتوءات الزائدة أكبر من معدل البطاريات العادية. مع الأخذ في الاعتبار الجهد قبل التكوين وتحليل بيانات التفريغ الذاتي بعد تقسيم السعة، يمكن الاستنتاج أن النتوءات الزائدة ستؤدي إلى أداء غير طبيعي لاحتفاظ البطارية بالشحن. لن تختفي النتوءات الموجودة على أقطاب البطارية تمامًا وستؤثر على أداء البطارية على المدى الطويل.
باختصار، تؤثر النتوءات بشكل سلبي على أداء البطارية، لذا يجب اتخاذ التدابير اللازمة لتقليل تشكل النتوءات أثناء عملية التصنيع لضمان أداء البطارية وسلامتها.
خاتمة
في عملية تصنيع البطارية، يعد التحكم في حجم نتوءات الأقطاب الكهربائية معلمة أساسية. عندما يتسبب نتوء في حدوث ماس كهربائي، سيصبح جهد البطارية 0 بعد التعبئة. من خلال شحن بطارية بها ماس كهربائي ناتج عن نتوء بتيار صغير، يمكن ملاحظة جهد ثابت. عندما يصل التيار إلى قيمة الصمامة الخاصة بالناتوءات، لا تزال هناك شوائب معدنية داخل البطارية، والتي ستستمر في التأثير على التفريغ الذاتي للبطارية، مما يؤدي إلى معدل تفريغ ذاتي أعلى من البطاريات العادية. يمكن استخدام هذه الطريقة لتحديد ماس كهربائي في البطارية ناتج عن نتوءات أثناء تصنيع البطارية. من خلال ملاحظة التغييرات في الجهد، يمكننا توجيه تعزيز عمليات تفتيش معدات التقطيع والقطع واللف أثناء عملية إنتاج البطارية لتجنب إنتاج كميات كبيرة من البطاريات غير المؤهلة. لذلك، من خلال شحن البطاريات التي بها ماس كهربائي ناتج عن نتوءات بتيار منخفض ومراقبة تغييرات الجهد، يمكن تحديد المشكلات في عملية تصنيع البطارية بشكل فعال ويمكن توجيه ضوابط العملية ذات الصلة لضمان جودة البطارية وأدائها.
