软包装电池对生产线常见异物的耐受力_刘婷婷.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:刘婷婷(1989-),女,辽宁人,万向一二三股份公司工程师,硕士,研究方向:动力电池系统开发、新能源动力总成匹配,通信作者;许 科(1984-),男,浙江人,万向一二三股份公司工程开发总监,高级工程师,研究方向:锂电池及储能开发;张 磊(1987-),男,浙江人,万向一二三股份公司工程师,硕士,研究方向:锂离子电池安全性;姚 京(1989-),男,浙江人,万向一二三股份公司工程师,硕士,研究方向:动力电池系统开发。DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.03.013软包装电池对生产线常见异物的耐受力刘婷婷,许 科,张 磊,姚 京(万向一二三股份公司,浙江 杭州 311215)摘要:动力电池的安全日益受到关注,电池中异物的种类和尺寸对安全性能有较大的影响。基于软包装动力电池生产线常见的异物,从非金属、金属不同异物的种类和尺寸等角度分析对电芯的影响,提供软包装电池对异物耐受力的检测方法。机械和循环测试,以及对测试后电池拆解的结果表明,金属和硬质橡胶粒径一般不大于 600 m 以及纤维长度不大于 2 000 m,对软包装电池的影响不大;电池在满电状态下,对异物的敏感度更高。关键词:软包装电池;常见异物;耐受力;生产线清洁度;锂离子电池中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)03-0294-05Resistance of pouch cell to usual impurity in production lineLIU Ting-ting,XU Ke,ZHANG Lei,YAO Jing(Wan Xiang A123 Systems Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 311215,China)Abstract:The safety of power battery had been paid more attention.The type and size of foreign matter in batteries had a great impact on the safety.Based on the common foreign matter in the pouch cell production line,the effect of different kinds and sizes of non-metals and metals foreign matter on the cell was analyzed,the test method of the pouch cells resistance to foreign matter was provided.The results of mechanical&cycle tests and battery disassembly after tests showed that the size of metal and hard rubber no more than 600 m and fiber no more than 2 000 m had little effect on the pouch cell.The battery was more sensitive to foreign objects when it was fully charged.Key words:pouch cell;usual impurity;resistant ability;production line cleanliness;Li-ion battery 动力电池在制造、加工、包装的过程中,会不可避免地产生非金属、金属等异物1。目前,针对电池异物的研究,主要集中在电芯内部掺入金属杂质对电池的影响,对于软包装电芯内混入非金属杂质,以及电芯外、模组和电池包生产线上产生的异物,研究较少2。模组或电池包生产线的异物来源主要有两类:设备与物料的接触、摩擦等产生的橡胶、纤维等非金属杂质;软包装电池在加工、裁切、焊接过程中,产生的铜、铁、铝等金属杂质。非金属杂质相对较软,对于软包装电芯的机械损伤影响不大,主要会对电池容量、电阻、K 值(单位时间内电池的电压降)等产生干扰;金属杂质硬度相对较高,除非金属杂质产生的影响外,在电池受到机械冲击或经多次循环后,会导致臌胀变形或受到巨大压力,更容易引发电池内部短路,导致较大的安全隐患3。基于不同的异物类型,本文作者以生产线收集到的实际异物为基础,测试某软包装电池、模组,在静态和动态等不同工况下进行验证,通过对电芯内异物和电芯的测试,评估电池对生产线异物的耐受能力。1 静态检测1.1 异物类型和尺寸针对某软包装电池模组(浙江产)的自动生产线(广东产),收集了主要杂质。非金属异物主要为纤维(源于设备线第 3 期刘婷婷,等:软包装电池对生产线常见异物的耐受力束和绝缘胶带)、软质橡胶(源于电芯生产设备胶辊)和硬质橡胶(源于传送皮带)等;金属异物主要为铜屑、铁屑和铝屑等。基于电芯生产线异物数据信息整理的异物类型和对应尺寸范围列于表 1。测试验证将从表 1 所列异物中选择。表 1 生产线杂质类型和尺寸Table 1 Type and size of production line impurities类型粒径、尺寸范围/m硬质橡胶400600800软质橡胶400600纤维长度2 000铜屑、铁屑50100铝屑5001001.2 测试设置及工况根据生产线收集的异物,分别放在电芯(浙江产,78 Ah,长 100 mm宽 542 mm)内,并用 DHF03 压力机(台湾省产)施加一定正压力。根据产品性能测试结果,该电池测试压力选择设计应用的极限环境约 1 380 kPa。微粒位置在正负极两侧和中间,如图 1 所示。图 1 静态环境异物对电芯的测试设置Fig.1 Set-up of foreign body in cell at static condition对于电芯内非金属异物,主要观察挤压后电芯内部极片、隔膜和铝塑膜等是否有破损等物理变化;对于金属异物,重点监测电池电性能,如电池容量、直流内阻(DCR)、交流内阻(ACR)和 K 值等。若考察在苛刻环境下金属异物对电芯的影响,也可以进行高温环境测试。1.3 测试结果选择软橡胶、硬橡胶、纤维、铜屑、铁屑和铝屑,材质与生产线设备和产品材料相同,如图 2 所示。图 2 各种常见的生产线异物Fig.2 Common foreign body in production line1.3.1 非金属异物检测结果在测试电芯内放置不同尺寸的非金属异物,并对电芯施加约 1 380 kPa 的压力,观察电芯状态。除放置在电芯间粒径约 800 m 的硬质橡胶对电芯负极涂层造成轻微裂痕外,无其他破损,结果详见图 3图 5。图 3 硬质橡胶对电芯内部的影响Fig.3 Effect of hard rubber on the interior of the cell测试结果表明,对于非金属异物,电池隔膜、涂层和外部铝塑膜在橡胶粒径不大于 600 m 及纤维长度不大于 2 000 m 时,在约 1 380 kPa 的压力下有变形,但无破损;而粒径约800 m 的硬质橡胶在施压后会产生裂痕。这说明,非金属异物粒径需控制在 800 m 以下,而 600 m 可作为安全尺寸的参考值。1.3.2 金属异物检测结果针对电芯内部金属异物的检测,主要考查对电性能的影响。选择粒径为 50 m 和100 m 的金属异物,用 FLUKE1508绝缘电阻测试仪(日本产)进行绝缘耐电压(Hi-Pot)测试4,测试电压 250 V。初步研究结果表明,在电芯内放入粒径为100 m 的金属异物,合格率为 0;放入粒径为 50 m 的金属异物,合格率不低于 90%。基于此结果,后续的电性能对比及高温、循环等验证,均使用 50 m 的金属异物进行。592电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷图 4 软质橡胶对电芯内部的影响Fig.4 Effect of soft rubber on the interior of the cell图 5 2 000 m 纤维对电芯内部的影响Fig.5 Effect of 2 000 m fiber on the interior of the cell对比放置粒径为 50 m 的铜屑、铁屑和铝屑的电芯及常规电芯,发现电池容量、DCR 和 ACR 等电性能测试结果相近,没有特别的差异。2 动态检测电池的动态验证,主要是产品在应用环境下的测试。在模组的生产过程中,异物主要为铜屑和铝屑,来源于极耳裁切、焊接等加工制造的过程。静态测试中粒径约 800 m 的硬质橡胶置于电芯内,极片涂层有破损风险,且铜的硬度高于铝,因此,实验选择动态检测的异物为铜粒(河北产,99.95%),粒径分别为 800 m 和 600 m。将异物放置在电芯间,在某软包装电芯的模组中进行测试。测试方法与常规模组测试相同,评价方法一致,且不低于 GB 380312020电动汽车用动力蓄电池安全要求5的标准。2.1 机械冲击测试针对动力电池的机械冲击测试较多,实验基于产品常用工况,选择相对严苛的机械振动和冲击测试,测试方法参考GB 380312020 的要求4,方向为垂直于两只软包装电芯接触面的方向。考虑实际机械冲击多为优先外部受力,铜粒被放置在外侧两只电芯之间大面的中心位置,其他装配方法与常规模组相同。600 m 和 800 m 各装配一个模组,具体位置如图 6 所示。图 6 动态测试微粒布置示意图Fig.6 Particle layout diagram of dynamic test测试过程需要记录模组状态,测试后模组的容量、绝缘等基本性能,与原状态对比,确认是否满足要求,并对模组和电芯进行拆解评估。2.2 长周期循环测试常见的循环测试主要有标准循环和工况循环两种。工况循环在测试过程中,对软包装电池内压力、容量等变化的要求相对比较苛刻。实验在进行长周期循环测试时,电压为2.804.25 V。将荷电状态(SOC)不低于 96%的模组以 1 C放电(电流为 234 A)至 5%SOC 后静置,再依次以 1/3 C、1/2 C、1/5 C、1/10 C、1/20 C 充电至 4.25 V,完成以上充放电过程即为一次循环;每循环 200 次进行一次容量均衡。采用主动均衡方式,对电压低的一串电芯进行 1/101/20 C 小电流充电,使模组内每串电芯的电压差不大于 20 mV,达到均衡状态。在模组中间位置的电芯之间放有铜粒,位置与机械测试不同,主要是考虑到随着循环测试的进行,电池会不断臌胀,外侧电芯臌胀后,外壳受力会变形,内部电芯臌胀空间较小。在循环工况下,模组受力分析在仿真和实测中,均得到中间的位置为模组高压力范围的结果,因此,在长周期循环测试中,微粒放置在模组内中间位置(见图 6)。测试过程中,定期检测模组容量、内部压力、模组尺寸等数据,观察模组是否发生异常状态,并记录模组性能、外观等信息。2.3 测试结果及拆解分析拆解测试后的模组,并记录夹有铜粒电芯的状态,将这一个模组的两包电芯拆解,分析软包装电芯的铝塑膜、极片和隔膜等是否发生破损。2.3.1 检测方法和评价标准模组检测时,主要与常规模组测试的结果对比,评价标692第 3 期刘婷婷,等:软包装电池对生产线常见异物的耐受力准保持一致。若模组电性能检测异常,则可判定测试未通过;若无异常,则重点检测电芯的结构状态。除电解液外,软包装电芯的常规结构从外到内依次为:铝塑膜尼龙层、铝层和聚丙烯(PP)层、正负极极片和隔膜交替分布。铝塑膜放入暗箱内,观察是否透光。透光就表示铝层破损。在放置铜粒凹坑处的正反面滴入 HCl(浙江产,50%),若有气泡产生,则尼龙层或 PP 层破损6,反应见式(1)。2Al+6HCl=2AlCl3+3H2(1)2.3.2 动态测试结果评估加入 600 m 和 800 m 铜粒的模组均通过了 50 g 振动和冲击测试。拆解后,观察放置铜粒的电芯状态,结果如图 7所示。从图 7 可知,铝塑膜未破损,隔膜、极片凹坑尺寸均满足标准要求。加入 800 m 和 600 m 铜粒,在机械冲击后,经过暗箱、图 7 模组机械冲击测试后电芯表面状态Fig.7 Cell surface state after mechanical crush test酸洗测试,然后用 VHX6000 3D 显微镜(日本产)观察极片和隔膜的状态,结果如图 8 所示。图 8 测试后拆解的电芯的表面及内部状态 Fig.8 The surface and internal state of the disassembled cell after test 从图 8 可知,电芯表面凹坑直径略大于微粒直径,主要是由于在机械冲击后,微粒在电芯之间有轻微移动。该状态也可通过极片和隔膜长圆形的形状得出。在暗箱中不透光,说明电芯表面铝塑膜的铝层未破损;经过酸洗后未见气泡,说明 PP 层未破损。放入 600 m 和 800 m 铜粒的模组与常规模组在 400次循环测试后的容量相当,如图 9 所示。停机后拆解模组,测量电芯表面凹坑深度,发现两侧电芯凹坑深度级别相当,说明电芯之间的受力均匀。对测试后电芯分别进行一次充放电,拆解、观察内部极片是否有析锂现象。放入 600 m 微粒测试后,在 0%SOC 和100%SOC 下,电芯极片的状态见图 10。从图 10 可知,100%SOC 下,极片凹坑深度比 0%SOC 下深约 8%,但电芯表面未破损,内部隔膜、极片也未出现裂痕,未见析锂现象。3 结论本文作者以 78 Ah 软包装电芯为研究对象,依据生产线 图 9 循环测试时模组的容量保持率Fig.9 Capacity retention rate of module in cycle test生产、加工过程中实际产生的异物,通过在电芯和模组增加常见异物进行测试,考虑异物的不同材质、尺寸等,得到的主要结论如下:792电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷图 10 循环后 0%SOC 和 100%SOC 电芯极片状态Fig.10State of the cell electrode of 0%SOC and 100%SOC after cycle在电芯的生产过程中,关于非金属异物中,长度不大于2 000 m 的纤维、粒径不大于 600 m 的软质和硬质橡胶对电池基本无影响,粒径 600 m 以上的硬质橡胶可能使软包装电池的内部涂层产生裂纹;针对金属异物,模组中加有约 600 m 和 800 m 铜粒,可通过机械冲击和循环测试,测试结果与常规模组基本一致;100%SOC 下电芯在相同异物存在条件下,测试后的凹坑更深,对异物反应更敏感;对软包装电池模组生产线异物控制,建议非金属类按橡胶粒径不大于 600 m,纤维长度不大于 2 000 m 控制;金属异物按粒径不大于 600 m 控制。基于软包装电池对生产线常见异物耐受力的评估,可以为软包装电池开发标准制定、电芯和模组生产线清洁度管控提供参考。后期根据产品应用的实际工况,也可适当增加极限环境类(高温、高湿等)测试。参考文献:1 惠升,詹永丽,黎江.锂电正极材料金属及磁性异物过程控制 的研究J.世界有色金属,2021(17):166-168.HUI S,ZHAN Y L,LI J.Study on the process control of metal and magnetic impureness as cathode materials for lithium batteriesJ.World Nonferrous Metals,2021(17):166-168.2 吕超.锂离子电池正极材料生产金属异物的来源以及控制方法J.装备制造技术,2020(1):82-85.LYU C.Sources and control methods of metal impurities in produc-tion line of cathode material for lithium-ion batteryJ.Equipment Manufacturing Technology,2020(1):82-85.3 李欣,董缇,杨冬梅,等.锂离子电池过充故障和胀气过程的热行为J.电池,2022,52(5):530-533.LI X,DONG T,YANG D M,et al.Thermal behavior of Li-ion bat-tery during overcharge fault and swelling processJ.Battery Bi-monthly,2022,52(5):530-533.4 赵星星,饶绍建,张富,等.绝缘耐电压测试参数对测试结果的影响J.电池,2022,52(3):305-308.ZHAO X X,RAO S J,ZHANG F,et al.Effect of high potential test parameters on the test resultsJ.Battery Bimonthly,2022,52(3):305-308.5 GB 380312020,电动汽车用动力蓄电池安全要求S.GB 380312020,Electric Vehicles Traction Battery Safety Re-quirementsS.6 刘婷婷,姚京,季冬冬,等.一种软包电池异物耐受力检测方法:中国,CN202210999372P.2022-11-15.LIU T T,YAO J,JI D D,et al.Method for detecting foreign matter tolerance of soft package battery:China,CN202210999372P.2022-11-15.收稿日期:2022-12-23电池快讯(月刊)已出版 410 期电池快讯(月刊)复刊于 1988 年,至今已连续出版 410 期。多年来,电池快讯坚持面向企业,面向市场,注重服务,向电池行业提供了万余条专业、实用的独家信息,对促进行业内的交流与沟通,对推进我国电池行业的进步做出了贡献,深受企业家们的广泛好评。近年来,电池企业家们对电池有关政策更为关心,对材料行情的变化更为敏感,对电池科技的进步更为关注,对电池销售市场的变化更为留心。企业家们对国际市场更是兴趣倍增!电池快讯恰好给电池及相关企业家们雪中送炭。如果你没有阅读过电池快讯,欢迎索取样刊一本;如果你有适合本刊刊登的稿件,欢迎投稿。查询全部 410 期的总目录,请登陆电池网 ,查阅电池快讯分类总目录。地址:湖南长沙市仰天湖新村 1 号(410015)电话:[phone] 传真:[phone] E-mail:batterie 892