电池极片制造工艺研究面临的挑战

本文摘要（由AI生成）：文章对同一制造商、同一型号、两个质量分级的圆柱形 18650 电池进行了深入的一致性分析，揭示了电池性能的隐秘差异。研究团队通过对电池质量、容量、内阻、开路电压（OCV）等参数的测试和分析，发现不同批次之间和批次内都存在明显的分散。对电池进行 C/10 充电和放电，计算电池平均 OCV 曲线，结果显示批次 3 与批次 1 和 2 的 SOC-平均电压曲线在 SOC 低于 20%下存在明显的偏差面积。最后，文章分析了产生这些差异的原因，可能包括生产过程中的质量分级不一致、电池存储和运输过程中的环境因素、存储过程中的日历老化以及不同供应商和分销渠道的处理和存储方式等。电池生产过程中的微小差异导致每颗电池都具有独特的性能特征。这些差异可能是原材料的微小公差、生产过程中的机器磨损、环境条件的波动（如温度、湿度或气压）等。电池厂在生产线最后一般都会进行严格最终测试，并将电池分成不同的等级，比如A品、B品，以确保电池符合规格要求，但这些测试数据通常不会向最终公开。 然而，电池单体之间的一致性问题一直是影响电池系统性能和寿命的关键因素。电池采购过程必须确保产品一致性达到要求，可能大的厂家采购会对电池厂进行严格的审查。但是，小厂或者个人去采购电池的话，可能买到的电池一致性会比较差。最近，慕尼黑工业大学的研究团队对BAK18650电池单体进行了深入的一致性分析，揭示了电池性能的隐秘差异。 研究团队通过两个分销渠道购买了250个BAK18650电池单体，并对其进行了全面测试表征，包括质量、内阻、开路电压（OCV）、容量测量以及光学检查等。厂家提供的电池的规格书如表1所示。电池分别从亚洲（第 1 批和第 2 批）和欧洲（第 3 批）供应商处购买，采用X-YY对电池进行命名，其中X表示批次号，YY表示各批次中的电池编号。第1批电池100个，被供应商标定为A品，第二批100个，被标定为B品。第3批50个，从欧洲供应商处采购，被标定为A品，具体如表2所示。电池质量 目视检查发现，每批次中都有一个电池存在外部缺陷，电池 1-69 和电池 2-61 在外壳上边缘有一个小凹痕，而电池 3-09 在外壳下边缘有一个小凹痕。 测量的电池重量如图1a所示，所有电池的重量均小于47g，符合电池规格（表 1）。不同批次之间的重量存在明显差异。第一批和第二批的电池重量的中位数分别为45.78g和45.83g，第一批和第二批的电池单体的中位数重量略低于第三批（45.95g）。 在第二批中发现了一个异常值，重量为45.24g，与第二批的中位数相比，差为0.59g。各批次内部的重量分散度相当，每批小于1g，相对于规定的电池重量，相当于小于2.2%的偏差。 重量测量结果表明，尽管所有电池都符合规格要求，但在实际生产中仍存在一定程度的不一致性，这可能会影响电池在实际应用中的性能。图1 三个批次电池质量和容量分布图 电池容量 图1b是三个批次的容量分布。与重量分布类似，第 3 批电池的容量值高于第 1 批和第 2 批电池。相对于 3050 mAh 的标称容量，所有电池的总体容量较低。根据电池规格表1，第 1 批和第 2 批电池的中位数分别为2844.4 mAh和2861.2 mAh，都低于 2950 mAh 的最低规格。第3批电池容量的中位数为3003.5 mAh，超出了数据表1要求的值，但某些电池远低于此规格。容量测量是按照行业标准以C/3记录的，而不是数据表中指定的C/5（表 1）。对每批次 1 和 2 的一些电池以C/5）进行进一步测量，证实大多数电池中值为2891.5 mAh 和 2882.5 mAh，也不符合规格书。 电池内阻 通过1 kHz的交流阻抗法测试电池在20%和80%的荷电状态（SOC）下的内阻，结果如图2所示。第1批和第2批电池内阻的中位数约为22.2 mΩ，相比之下，第三批次的电池在相同的SOC下，表现出了较高的内阻，中位数约为30.2 mΩ，与前两批次存在显著差异。 在50% SOC下，通过脉冲测试得到的DC-IR值也表明，批次3的内阻值高达49.5 mΩ，而批次1和2的内阻值则相对较低。图2 三个批次电池内阻分布 交流阻抗谱 EIS在不同的荷电状态（SOC）20%和80%下测试，以评估电池在不同电荷水平下的阻抗特性。三批电池的分散聚集现象很明显。第 1 批和第 2 批的大多数电池在两个 SOC 下都表现出差不多的内阻行为，而第 3 批的电池则表现出明显更高的电阻值。总之，批次之间和批次内都存在明显的分散，制造商或供应商的电池公差带较宽。图3 所有批次电池的EIS，(a) 20% SOC，(b) 80% SOC 开路电压 对各个电池进行 C/10 充电和放电，计算电池平均 OCV 曲线，结果如图4所示。批次 3 与批次 1 和 2 的 SOC-平均电压曲线在SOC低于20%下存在明显的偏差面积。图4 3个批次电池开路电压曲线 原因分析 锂离子电池的生产过程不可避免地会因复杂的制造条件的随机变化而受到波动。本文中从两个供应商采购了来自同一制造商、同一型号、两个质量分级的圆柱形 18650 电池。两家供应商提供了相同的电池规格书，几乎没有任何特定电池的进一步信息。结果显示三个批次内部和之间存在很大的分散性。在检查内阻、电化学阻抗谱数据和容量时，第 3 批（供应商 II）与其他两批（供应商 I）明显不同。可能原因包括厂家在生产结束时对电池进行质量分级，但分级标准和方法可能不完美，导致不同批次之间的质量分类不一致。电池在离开制造商到最终用户手中的存储和运输过程中，可能会暴露在不同的温度、湿度和压力条件下，这些环境因素可能会影响电池的性能和寿命。电池在存储过程中可能会经历日历老化，即使未使用，电池的化学成分和物理结构也可能随时间发生变化，导致性能下降。不同的供应商和分销渠道可能对电池的处理和存储有不同的做法，这可能导致电池在到达最终用户时的性能差异。 参考文献Ank, M., Kröger, T., Schreiber, M., & Lienkamp, M. (2023). Experimental analysis of lithium-ion cell procurement: Quality differences, correlations, and importance of cell characterization. Journal of Energy Storage, 66, 107430. https://doi.org/10.14459/2023mp1699705 来源：锂想生活