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電芯不一致:電池組中的臥龍鳳雛

電芯不一致:電池組中的臥龍鳳雛
元能科技  2024-09-27  |  閱讀:810

前 言

電芯一致性是目前各大電芯制造企業(yè)著重解決的難點(diǎn)之一。在電芯生產(chǎn)制造過程中,由于物料、設(shè)備和環(huán)境等波動,生產(chǎn)出來的電芯會存在微小的差異,這微小的差異在將電芯組裝成電池組后會進(jìn)一步放大。好比于“木桶效應(yīng)”,電池組內(nèi)性能最差的電芯會直接影響到整個(gè)電池組的性能,包括安全性,循環(huán)壽命,容量發(fā)揮等[1-2]。接下來,小編主要從電芯的電壓、容量和內(nèi)阻不一致三方面來講講對電池組的影響。


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圖1:木桶效應(yīng)


電芯不一致對電池組的影響

1:電壓不一致

以6個(gè)電芯串聯(lián)的電池組為例(圖2),假設(shè)在充電過程中5個(gè)電芯電壓為4.1V,而其中1個(gè)電芯已經(jīng)達(dá)到滿充電壓4.3V,此時(shí)BMS會啟動過充保護(hù)停止充電,這直接導(dǎo)致了其余電芯電量未充滿,從而降低了電池組的電量儲存能力。在放電過程中也是同理,電壓低的電芯會優(yōu)先到達(dá)過放保護(hù)電壓,導(dǎo)致電池組提前結(jié)束放電,影響續(xù)航。電壓不一致除了會影響電池組的容量之外,還會使部分電芯頻繁地處于過充和過放的狀態(tài),這將導(dǎo)致該部分電芯循環(huán)衰減加速并產(chǎn)生一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。


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圖2:電壓不一致的電芯串聯(lián)


2:內(nèi)阻不一致

在電芯的生產(chǎn)制作過程中,漿料/涂布/冷壓的均勻度、極耳焊接效果等均會影響到成品電芯的內(nèi)阻。內(nèi)阻大的電芯在充放電過程中會產(chǎn)生更多的熱量導(dǎo)致電芯溫度升高,而高溫會加速電芯的老化并進(jìn)一步提升內(nèi)阻,屆時(shí)內(nèi)阻和溫度形成了一對負(fù)反饋,導(dǎo)致電芯性能快速衰減,而性能衰減最快的電芯又直接決定了電池組的壽命。


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圖3:電芯內(nèi)阻、溫升對電芯壽命的影響


3:容量不一致

在串聯(lián)電路中,電池組的容量是由最小容量的電芯決定的。如圖4所示,假設(shè)在6個(gè)電芯串聯(lián)的電池組中,電芯容量均值為2.5Ah,最小的容量為1.5Ah。將6顆電芯單獨(dú)進(jìn)行充放電所得的容量總和為2.5*6=15Ah。而若在電池組中,實(shí)際僅能發(fā)揮1.5*6=9Ah的容量,這主要是因?yàn)槿萘啃〉碾娦倦妷簳崆暗竭_(dá)滿充電壓使得電池提前停止充電,進(jìn)而導(dǎo)致每個(gè)電芯僅能發(fā)揮出1.5Ah的容量。


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圖4:容量不一致的電芯串聯(lián)


電芯不一致的解決方案

電芯不一致會導(dǎo)致電池組性能下降,并存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn),元能科技從不同維度研發(fā)了一系列產(chǎn)品來監(jiān)測電芯生產(chǎn)過程&電芯出貨的一致性,確保電池組中電芯的高度一致。


(1)來料檢測端:粉末電阻&壓實(shí)密度儀

陰陽極粉末在生產(chǎn)制造過程中同樣會因?yàn)樵O(shè)備、環(huán)境的波動而存在區(qū)別,從而進(jìn)一步影響到電芯的容量和內(nèi)阻等。元能科技推出粉末電阻&壓實(shí)密度儀可以應(yīng)用于來料檢測,對粉末的電阻和壓實(shí)能力進(jìn)行監(jiān)測以確保電芯投料生產(chǎn)的粉末質(zhì)量處于同一水平,進(jìn)而提升成品電芯的一致性。


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圖5:粉末電阻率&壓實(shí)密度儀


(2)電芯生產(chǎn)制造端:極片電阻儀

電芯生產(chǎn)的前工序(攪拌,涂布,冷壓等)直接決定了電芯的最終性能,因此在前工序結(jié)束前設(shè)置一道關(guān)卡是十分必要的。元能科技自主研發(fā)的極片電阻儀,可以測量極片的體電阻以及相應(yīng)的極片厚度,通過極片的電阻/厚度分布、波動來監(jiān)控極片生產(chǎn)過程中穩(wěn)定性和均勻性。


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圖6:極片電阻儀


(3)電芯出貨端:電芯一致性篩分儀

電芯產(chǎn)出后通常會進(jìn)行一致性篩分再進(jìn)行電池組組裝。一般是通過電壓,容量和內(nèi)阻進(jìn)行分組,然而以上常規(guī)檢測數(shù)據(jù)基本都是監(jiān)控電芯的電子阻抗,對于電芯的離子阻抗幾乎沒有進(jìn)行評估,這無疑是增加了電池組中短板電芯出現(xiàn)的概率。離子阻抗是電芯性能的重要指標(biāo)之一,其直接影響到電芯的效率、老化速率和安全性等,但目前電芯生產(chǎn)線并未將離子阻抗納入出貨評估參數(shù)之一,這主要是因?yàn)槌R?guī)的EIS測試儀(電化學(xué)工作站)價(jià)格昂貴,測試周期長導(dǎo)致。元能科技創(chuàng)新性研發(fā)出工業(yè)級的EIS快速測試設(shè)備——電芯一致性篩分儀,如圖7-a,該設(shè)備可對大批量電芯進(jìn)行EIS快速測試,識別電芯界面電阻,鋰離子擴(kuò)散能力等[3-4],電芯制造企業(yè)可根據(jù)EIS數(shù)據(jù)對電芯一致性進(jìn)行精細(xì)化分組,確保成組電芯的高度一致(圖7-b)。


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圖7:(a) 電芯一致性篩分儀;(b) 10顆340Ah電池的EIS分布圖


總 結(jié)

?電芯一致性對于電池組的重要性不言而喻,它直接關(guān)系到電池組的性能、壽命以及安全性。電芯單體一致性的控制以及電芯篩分成組都是系統(tǒng)工程,需要考慮電芯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制、電芯分組參數(shù)及其規(guī)格等多個(gè)維度。


參考文獻(xiàn)

[1] 李相哲,潘宏斌.蓄電池一致性討論 [J]. 電池工業(yè),2005,10 (5) :285-289.[

2] 王佳元,孫澤昌,魏學(xué)哲,等.電動汽車動力電池分選方法研究 [J]. 電源技術(shù),2012,36 (1) :94-98.

[3] W.X. Hu, Y.F. Peng, Y.M. Wei and Y. Yang, Application of Electrochemical Impedance Spectroscopy to Degradation and Aging Research of Lithium-Ion Batteries. The Journal of Physical Chemistry C[J], 127 (2023) 4465-4495.

[4] Zhang S S, Xu K, Jow T R. Electrochemical Impedance Study on the Low Temperature of Li-ion batteries[J]. Electrochimica Acta, 2004, 49 ( 7) : 1057-1061.

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