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锂电池低容的分析——设计篇

导读: 对于新负极或新电解液而言,若重复试验发现每次电芯都会析锂低容,那材料本身不匹配的可能性就很大了。不匹配的原因可能是化成时形成的SEI膜不够致密、太厚亦或不稳定,也可能是电解液中的PC让石墨层剥离,也不排除本身设计的面密度压实过大造成电芯无法适应大倍率充放电。

  低容的原因从大面上可分为设计及制程两个方向。本文先讲设计,下篇再讲制程。

  材料的匹配特别是负极与电解液的匹配对电芯容量的影响尤为重大。由于笔者的理论较差且几乎不可能从供应商口中得出类似于“你家电解液配别人家负极为啥会析锂低容”问题的答案,故虽然自己遇到过几次由于材料匹配造成低容的情况,但对其发生的原理却一直是一知半解、仅有一些自己的猜测而已。对于新负极或新电解液而言,若重复试验发现每次电芯都会析锂低容,那材料本身不匹配的可能性就很大了。不匹配的原因可能是化成时形成的SEI膜不够致密、太厚亦或不稳定,也可能是电解液中的PC让石墨层剥离,也不排除本身设计的面密度压实过大造成电芯无法适应大倍率充放电。虽然个中的理论我们没法弄清,但出了问题先询问供应商是否有好的解决建议(类似于优化化成工艺、减小充放电电流这类的),若供应商建议无效或干脆没有建议,那就更换材料吧。

  隔膜也是一个可能造成低容的影响因素,笔者之前在使用国内某厂单层PP低成本隔膜时(虽然我很恨你,但就不点名了),发现手工卷绕的电芯隔膜会在每层的中间位置的纵向产生打皱,打皱的地方负极嵌锂不充分未成金黄色进而影响了电芯容量3%左右。虽然另外两个型号使用半自动卷绕时隔膜打皱的程度要轻很多且对容量的影响也就有1%,不过也不能成为停用该隔膜的依据。

  容量设计余量不足也会造成低容。由于正负极涂布、分容柜的误差及贴胶对容量的影响,设计时必须要留有一定的容量余量。设计容量余量时,既可以在算出所有制程全部刚好为中线的电芯容量后再留富余,也可以按所有影响容量的因素全部按下限发生后再计算富余。对于新材料而言,正极在该体系下的克发挥的准确评估很重要。分容倍率、充电截止电流、充放电倍率、电解液的种类等,都会影响到正极克发挥。如果特意为了达到目标容量而将正极克发挥设计值人为调高,也等价于设计容量不足。电池的界面一点问题也没有、整个制程数据也没有问题,但是电池就是低容。故新材料一定要注意评估准确的正极克发挥,并非同一个正极在与任何负极、电解液相配时都有着一样的克发挥。

  负极过量也会在一定程度上影响正极克发挥、进而影响电芯容量。负极过量并非“只要不析锂”即可。在不析锂的负极过量的下限继续提高负极过量,正极克发挥也会有1%~2%左右的提升(不过原理想不太明白),当然即使提升了,单为了设计容量输出越大越好的话,负极过量依旧是只要保证不析锂即可。当负极过量太高的时候,正极克发挥又会降低,原因为化成时需要更多的不可逆锂,当然这种情况发生的概率几乎没有。

  注液量较低时,相应的保液量也会降低,当电芯的保液量偏少时,则锂离子在正负极嵌入脱嵌的效果就会受到影响,从而引发低容。虽然降低注液量后成本、制程都会有更小的压力,但必须以不影响电芯性能作为降低注液量的前提。当然,降低注液量(例如笔者曾经将一款型号的注液量降低至2.45g/Ah,结果死的很惨)只是会增加电芯由于保液量不足而引起低容的发生概率,而非必然结果。同时吸液越困难的型号,其多余的电解液应该更多一些才对,以保证电解液浸润期间可以与极片更好的接触。由于保液量受材料、电芯硬度要求等的影响较大,因此没法给一个统一的标准而只能以实验作为依据。电芯保液量不足时,正负极片会比较干,负极上面会产生薄薄的一层析锂,此点可作为保液量不良造成的低容的一个因素。

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