容量是電芯的第一屬性，而電芯容量不足也是樣品和批量生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。本文將主要分析電芯容量不足的問(wèn)題。

 

什么原因?qū)е码娦镜娜萘坎蛔悖?/p>

聽到電芯容量不足，第一反應(yīng)應(yīng)該是確認(rèn)容量不足問(wèn)題是否屬實(shí)。很簡(jiǎn)單，首先要確認(rèn)是否是電容工藝設(shè)置錯(cuò)誤，如放電電流大，用充電器充電時(shí)間短。如果電容器的步進(jìn)設(shè)置沒(méi)有問(wèn)題，則需要在更換測(cè)試點(diǎn)后對(duì)電池進(jìn)行分割。當(dāng)然，對(duì)于大批量生產(chǎn)甚至是樣品來(lái)說(shuō)，因分容柜誤差造成容量不足的概率是很低的，一般電池真的有問(wèn)題。

如果復(fù)測(cè)后容量仍然偏低，可以確認(rèn)容量不足的問(wèn)題確實(shí)存在。在確認(rèn)電芯存在容量不足后，還需要進(jìn)一步確認(rèn)容量不足的頻率和嚴(yán)重程度，從整體上掌握容量不足的實(shí)際情況。樣品往往是一批一批的，但生產(chǎn)模式卻有 “該模式一直產(chǎn)能不足 “和 “該模式偶爾產(chǎn)能不足 “這兩種情況。對(duì)于前者，分析時(shí)應(yīng)以設(shè)計(jì)、選材角度和批量生產(chǎn)為切入點(diǎn)和優(yōu)先方向。

對(duì)于后者，應(yīng)以生產(chǎn)線運(yùn)行和工藝變革為優(yōu)先對(duì)象。在確認(rèn)頻率后，還要確認(rèn)相對(duì)不重要的嚴(yán)重性，即電芯產(chǎn)能不足的比例和產(chǎn)能低于要求值的比例。對(duì)嚴(yán)重性的確認(rèn)更多的是為可能放寬產(chǎn)能規(guī)格和確定庫(kù)存不足提供依據(jù)，對(duì)問(wèn)題本身的分析不如對(duì)頻率的確認(rèn)重要，但仍然是必不可少的。

 

 

在整體上掌握了容量不足的實(shí)際情況后，就要開始分析了。對(duì)于遇到過(guò)同樣問(wèn)題的高水平專家來(lái)說(shuō)，拆掉3塊電芯應(yīng)該可以大致判斷出電芯容量不足的實(shí)際原因。但對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，需要采取更系統(tǒng)的方法。在進(jìn)行系統(tǒng)分析之前，可以把之前重新測(cè)量過(guò)的、充滿電的電芯拆開，看一下接口。

如果沒(méi)有問(wèn)題，很可能是因?yàn)殛帢O涂層太輕或設(shè)計(jì)余量不足。如果界面有問(wèn)題，可能是工藝或設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。首先，你需要至少8顆容量不足的電芯+8顆容量合格的電芯。然后將容量不足的電芯隨機(jī)分為兩組，即容量不足的A組和容量不足的B組，將合格的電芯隨機(jī)分為兩組，即合格的A組和合格的B組。

然后將兩組A組電芯放電至約3.0V的靜態(tài)電壓。然后拆卸容量不足和合格的電芯，在85℃以上的溫度下真空烘烤陰極電極片24小時(shí)，然后稱量容量不足的陰極電極片和合格的陰極電極。如果容量不足的電極片的重量明顯低于合格的陰極電極片或低于工藝范圍，基本可以判斷電芯容量不足是由陰極電極片的輕度涂層造成的。

首先，雖然陰極電極的第一個(gè)不可逆鋰源會(huì)使陰極電極損失一點(diǎn)重量，但總的不可逆鋰源的重量只占陰極電極鋰源的5%左右，占陰極電極片的重量不到0.5%。陰極電極光源造成的不可逆鋰源不會(huì)低于極片總重量的1%。

電解液在烘烤過(guò)程中不能完全干燥，但相對(duì)于極片的重量，實(shí)際殘留部分的重量是有限的。總的來(lái)說(shuō)，與線圈前電極板的實(shí)際重量相比，陰極電極烘烤后的稱重極板的重量誤差不超過(guò)2%。此外，還有一個(gè)容量合格的陰極電極重量和容量不足的電極板重量相對(duì)比。

 

 

其次，同樣的方法不適合用于陽(yáng)極電極，因?yàn)殛?yáng)極電極會(huì)增加很多重量，但我們可以在實(shí)驗(yàn)后給出陽(yáng)極電極的增重比例，然后反推陽(yáng)極電極片的重量，判斷電芯的容量不足是否是陽(yáng)極電極過(guò)剩造成的。

如果確認(rèn)是陰極電極過(guò)輕的原因是容量不足，那就很幸運(yùn)了，但事實(shí)上，這種幸運(yùn)的概率往往只是個(gè)案。在這種情況下，就要看對(duì)容量不足的B組和合格的B組的分析了。B組電芯需要充分充電，然后拆開，比較陽(yáng)極接口的差異。放電容量低相當(dāng)于充電容量低，相當(dāng)于陽(yáng)極充分充電的界面會(huì)出現(xiàn)異常。

其實(shí)在大多數(shù)情況下，只要出現(xiàn)容量不足的情況，無(wú)論電芯是容量不足還是合格，接口都會(huì)出現(xiàn)類似的異常，只是程度不同而已。在記錄電芯的接口情況時(shí)，也需要同時(shí)記錄相應(yīng)電芯的實(shí)際容量。最后，大體上類似于這樣的結(jié)論：容量不足、程度較高的電芯的界面異常情況比較嚴(yán)重。

 

電芯容量不足的原因：電芯設(shè)計(jì)

容量不足的原因可以分為兩個(gè)方向：電芯的設(shè)計(jì)和工藝。材料的匹配，特別是陽(yáng)極電極和電解液的匹配，對(duì)電芯容量的影響特別大。對(duì)于一個(gè)新的陽(yáng)極電極或新的電解液，如果重復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)每次電芯都會(huì)析出鋰，出現(xiàn)容量不足的情況，很有可能是材料本身不匹配。

不匹配的原因可能是在形成過(guò)程中形成的SEI膜不夠密實(shí)、太厚或不穩(wěn)定，也可能是電解質(zhì)中的PC從石墨層上剝離。也不排除自身設(shè)計(jì)的表面密度過(guò)大，導(dǎo)致電池片無(wú)法適應(yīng)高速充放電的情況。

分離劑也是可能導(dǎo)致容量不足的一個(gè)因素。對(duì)于使用單層PP低成本隔膜，手繞電芯隔膜在每層中間位置的縱向上會(huì)有皺褶，負(fù)極不能完全插入皺褶處而影響電芯容量。

 

 

容量比、充電截止電流、充放電率、電解液的類型都會(huì)影響陰極電極的性能。如果為了達(dá)到目標(biāo)容量而人為地提高陰極電極的設(shè)計(jì)值，就相當(dāng)于設(shè)計(jì)容量不足。電芯的界面沒(méi)有問(wèn)題，整個(gè)工藝數(shù)據(jù)也沒(méi)有問(wèn)題，但電芯的容量不足。因此，新材料必須注意評(píng)價(jià)陰極電極的準(zhǔn)確性能。

不是同一個(gè)陰極電極與任何一個(gè)陽(yáng)極電極和電解液相匹配時(shí)都有相同的性能。過(guò)量的陽(yáng)極電極也會(huì)在一定程度上影響陰極電極的性能，進(jìn)而影響電芯的容量。在沒(méi)有鋰沉淀的情況下，繼續(xù)在過(guò)剩陽(yáng)極電極的下限增加陽(yáng)極電極，陰極電極的性能將增加約1%至2%。

當(dāng)然，即使增加了，設(shè)計(jì)容量輸出越大越好，過(guò)剩陽(yáng)極電極還是只要保證鋰不能析出即可。當(dāng)陽(yáng)極電極的過(guò)剩量過(guò)高時(shí)，陰極電極的克重性能又會(huì)下降，因?yàn)樾枰嗟牟豢赡驿噥?lái)形成。當(dāng)然，這種情況發(fā)生的概率幾乎是不存在的。

當(dāng)液體注入量低時(shí)，相應(yīng)的液體保留量也會(huì)減少。當(dāng)電芯的液體保留量過(guò)小時(shí)，鋰離子在陰陽(yáng)電極中的插層和脫層效果就會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致容量低。雖然減少注液量后，成本和工藝的壓力會(huì)降低，但減少注液量的前提必須是不影響電池的性能。

當(dāng)然，減少注液量只會(huì)增加電芯內(nèi)液體滯留不足而導(dǎo)致電芯容量不足的概率，并非必然的結(jié)果。同時(shí)，模型越難吸液，多余的電解液就應(yīng)該越多，這樣才能保證電解液滲透時(shí)與極片更好地接觸。

當(dāng)電芯的保液能力不足時(shí)，陰陽(yáng)極片會(huì)相對(duì)干燥，陽(yáng)極電極上會(huì)出現(xiàn)一層薄薄的鋰沉積。這一點(diǎn)可以作為保液能力差引起的低容量的因素之一。

 

電芯產(chǎn)能不足的分析：電芯制造工藝

如果設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或過(guò)去的批次已經(jīng)確定，設(shè)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致容量不足，那么工藝?yán)饩秃苤档脩岩闪恕ｊ帢O或陽(yáng)極電極的光涂層可以直接導(dǎo)致電芯容量不足。當(dāng)陰極電極的涂層較淺時(shí)，完全充電的電芯界面不會(huì)出現(xiàn)異常。這時(shí)，有必要通過(guò)烘烤測(cè)量陰極電極片的重量來(lái)確定問(wèn)題所在。

 

 

陽(yáng)極片作為鋰離子的接受體，它所能提供的鋰插層位點(diǎn)的數(shù)量必須大于陰極片提供的鋰源數(shù)量，否則多余的鋰就會(huì)在陽(yáng)極片的表面析出，從而形成一層相對(duì)均勻的鋰沉淀。

如上所述，由于陽(yáng)極板的重量不能直接去除極板的烘烤重量，所以一是可以另做實(shí)驗(yàn)，找出陽(yáng)極板的增重比例，通過(guò)包芯重量去除陽(yáng)極板的烘烤重量，二是可以比較容量不足的合格電池或三元鋰電池，不分析鋰電池電芯芯的陽(yáng)極重量。

如果合格電芯的陽(yáng)極電極相對(duì)重量較重，同時(shí)陽(yáng)極電極析出的鋰層較薄，陽(yáng)極電極不足的可能性很大。另外，在陰極電極或陽(yáng)極電極的陰陽(yáng)兩面涂抹也會(huì)造成容量不足，其中陽(yáng)極電極主要是一面涂光，因?yàn)榧词龟帢O電極涂得很重，雖然克重性能會(huì)下降，但總?cè)萘坎粫?huì)下降。

相反，它甚至可能增加。如果陽(yáng)極電極工藝是錯(cuò)位鍍膜，直接比較烘烤后單雙側(cè)的相對(duì)重量比，只要數(shù)據(jù)類似，A側(cè)比B側(cè)鍍膜輕6%，問(wèn)題就基本可以斷定。當(dāng)然，如果產(chǎn)能不足的問(wèn)題非常嚴(yán)重，還需要進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)A/B面的實(shí)際面積密度。

軋制會(huì)破壞材料的結(jié)構(gòu)，反過(guò)來(lái)影響產(chǎn)能。材料之所以具有容量、電壓等性能，其分子或原子結(jié)構(gòu)是根本原因。當(dāng)陰極電極的軋制密度超過(guò)技術(shù)值時(shí)，電池拆開后陰極電極片會(huì)非常光亮。

如果陰極電極的密度過(guò)大，繞組后陰極電極片就容易斷裂，也會(huì)造成產(chǎn)能不足。但是，由于陰極電極壓緊會(huì)使極片一折就斷，而陰極電極滾動(dòng)本身需要很大的壓力，所以陰極電極壓緊的頻率會(huì)比陽(yáng)極電極壓緊的頻率低很多。

當(dāng)陽(yáng)極電極被壓死后，陽(yáng)極電極表面會(huì)形成條狀或塊狀的鋰析出物，電芯的保液性會(huì)大大降低。當(dāng)壓實(shí)度進(jìn)一步加大時(shí)，鋰析出的體積面積增加，鋰析出量也增加，電芯表面的兩種顏色的鉑金明顯而干燥。

 

 

含水量過(guò)高也會(huì)造成電芯容量不足。當(dāng)電池注入前，水電極片的含水量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，手套箱的露點(diǎn)不合格，電解液的含水量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，第二次脫氣密封引入水分時(shí)，電芯可能出現(xiàn)容量不足。

電芯形成時(shí)需要微量的水分，但當(dāng)水分超過(guò)一定值時(shí)，多余的水分會(huì)破壞SEI膜，消耗電解液中的鋰鹽，從而降低電芯的容量。含水量過(guò)高的電芯在充滿電和負(fù)電時(shí)，呈小塊的黑褐色。

 

結(jié)論

分析電芯的容量不足，如果有把握可以拆掉幾個(gè)外觀不好的電芯就可以基本確認(rèn)問(wèn)題，如果容量不足造成體積損失需要詳細(xì)報(bào)告，或者容量不足的原因是以前從未見過(guò)的，需要堅(jiān)定不移地從收集工藝數(shù)據(jù)、比較容量不足和合格電芯、改進(jìn)方案進(jìn)行詳細(xì)分析。