锂电池分容后自放电的探讨-下篇_环球新消息
影响自放电进程的因素如果电池本身存在因为物理和化学原因的自放电,且超过了设定的控制标准,那挑选出
如果电池本身存在因为物理和化学原因的自放电,且超过了设定的控制标准,那挑选出来的电池处理一点也不可惜,还提前发现了问题电池。但也存在另一类的情况,因为某些干扰,给我们展示的结果显示自放电存在异常,而实际情况下,电池的物理 化学自放电处于可控范围,这样的情况也存在。
比如我们知道,一个产品最终展示给我们的变差,即总变差=产品固有变差 检测变差,如果产品本身固有变差一定,检测本身不制造产品变差,只是影响总变差,检测的大幅度波动可能会给我迥异的结果。也是我们常说的第二类错误,测量导致的自放电数值异常。
【资料图】
这时候我们需要注意,两次测试时候所选用的测量设备的测量系统是否满足,如精度是否足够,分辨率10mV的设备是测不出1mV波动的压降数据的;准确度是否足够,测量的值和实际的值是否一致,测量设备是否经过了定期的校准;同一设备多次测试时候一致性是否满足要求;两台测试设备间是否具有极高的一致性等都需要进一步监控和明确。
除此之外,还有一些干扰自放电测量值的因素,本身并不会导致自放电,但是会干扰自放电的进程,比如极化、温度、时间、SOC荷电状态。
极化对自放电的影响
电池在充放电过程中会产生极化现象,电子流动速度快于电极反应速度,阳极电位向正移、阴极电位向负移、从而减少了电位差。进一步,极化又可以分为欧姆计划、浓差极化和电化学极化。
欧姆极化主要由电池内部各连接部分的电阻造成,电流减小,极化减小,电流停止则消失;电化学极化是电极表面的电化学反应的延迟性造成,随着电流减少降低;浓差极化则是由于离子扩散的延迟性,造成电极表面和电解液之间的浓度差,也会随着电流的下降逐渐降低和消失。
影响这些极化的因素主要有电解液(电导率);活性物质(活性物质颗粒和微观结构,会让锂离子嵌入通道不同);导电剂(导电剂对内阻的影响);极片面密度及均一性(厚度越大,不均一会产生较大浓差极化);压实密度(压实密度大,材料和电解液接触相对少,影响浓差极化和欧姆极化)。此外,SEI膜的成膜质量也会影响,造成电压滞后。
说了这么多极化,那么极化对电池自放电的干扰,则主要是电池电压滞后带来的测试差异,举个例子,电池分容结束了,于是对电池进行测试电压内阻,得到一个电压V1,再过一天测试电池电压,得到电压V2,大概率静置后的V2会比V1大,因为存在的极化导致的电压滞后,这样检测出来的自放电K值,很有可能是负值,是不准确的。
既然极化对自放电测试存在一定干扰,那实际生产中如何去设置工艺减少极化的影响呢?
首先是分容工步的设置,在分容最后一步充电过程中,多采取CC/CV充电,达到一定电压后采取恒压充电,逐渐降低充电电流,直到电流为0,有一定的降低极化的作用。
其次是分容后电池SOC,分容最后一步是充电,不充电后面没法测试自放电,那么充多少电合适呢?一般认为把电量控制在平台电压下比较适合,这时候极化电压变化不大,比如三元电池充到3.6V的截止电压,铁锂充到3.2V的截止电压。
此外,往往在分容结束后,要有一个消除极化的过程。比如根据研究,电池在结束充放电后,在25%的SOC下,20H后电压降速率基本一致,可以认为极化基本消失;50%的SOC下,14H以后压降速率基本一致。
故而根据自己公司电芯实际情况,在分容后静置一定的时间去除极化的影响后再测试OCV,最大程度减少极化对自放电测试的干扰。
温度对自放电的影响
这里面主要讲两个温度,一个是储存温度,一个是检测时候的温度。就储存温度而言,很多工厂会有两种方式,高温储存 常温储存,高温储存是基于阿伦尼乌斯公式,是化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式:
k为速率常数,R为摩尔气体常量,T为热力学温度,Ea为表观活化能(阿伦尼乌斯经验公式的前提假设认为活化能Ea被视为与温度无关的常数),A为指前因子(也称频率因子)。
我们在电解液的储存那里会经常用到,因为某些电解液需要低温储存,但是在某些极端情况下,暂时储存于常温或者40℃(如夏天三伏天)时候,要根据速率来折算后面可储存的保质期时间。
电池的储存也是一样的,根据研究,在一定的储存时间内,K值和温度呈现正相关的关系,即储存时候温度越高,K值越大。为了让一些自放电有问题的电池提前暴露出来,分容后采取高温+常温静置方式,但分容后建立电池的高温静置库,还需要根据实际情况,结合成本好安全的考虑来设定。
电池测试电压时候的温度,也会干扰电池的电压测试结果。比如一个有趣的现象,电池经过静置后测试,电压却更高了,这样K值就变成负的了。这样的情况可能就是因为两次测试时候的温度不同导致。电芯温度越低,电压测出来就会越高,如果OCV2的测试温度明显低于OCV1的温度,电芯K值就可能为负。
时间对自放电的影响
K值具有分容后储存时间越长,K值越小的特性。即温度一定时,K值随着静置时间的延长而减少,这只是一个简单的数学除法,前期电压下降快,后期电压下降速率降低,趋于稳定。
故而,要求K值小,除了降低产品本身自放电情况,只能通过增加成品电池的储存时间。但是在现在这个时间就是金钱的时代,产品的周转速度越快,越能更快的拿到收益进行扩大再生产,故而储存时间需要取决于一个平衡点。即能挑选出自放电异常的电池,又尽可能的减少储存时间。
SOC对自放电的影响
如前面所述,在平台电压下,极化没有那么强烈,干扰也较小。有研究表明,在一定的温度和一定的储存时间内,SOC越大,表现出来的K值可能会越大。
小结
不同SOC状态,对物理自放电的影响不同,100%SOC下更容易分辨物理自放电异常的电池;
物理自放电和时间关系明显,时间越长,越容易挑选物理自放电电池;
如前面所述,电池在多次循环中,可能会让电池内部的微短路溶融,反而物理自放电会降低,故而循环对物理自放电的挑选更有效;
高温则对化学自放电的挑选更加有效,循环对化学自放电电池的挑选效果并不明显。比如:电池分容后,往往是高温静置+常温静置,按照常温静置时间/高温静置时间=2.8,则便于挑选物理自放电;小于2.8则便于挑选化学自放电,但很多时候,并不一定有高温静置。
我们做过一次对K值进行了大量数据的收集和探索,设定K值的案例,限于篇幅有限,我放在了知识星球里面,感兴趣的朋友可以到我的知识星球(锂电圈)了解查看。
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