前期已经讨论过方形铝壳锂离子电池的腐蚀机理(具体见“顺理成章”公众号文章),软包电池腐蚀条件也是一样,但是,对于铝塑膜来说,由于其具有CPP绝缘层,所以,有必要探讨下导致铝塑膜腐蚀的条件。铝塑膜腐蚀现象如图1 所示,铝塑膜结构如图 2 所示。由于采用的是铝塑膜,理论上无论正极还是负极与铝塑膜之间的铝层是绝缘的,壳电压应为0V;但实际过程中铝塑膜会发生局部受损,导致铝塑膜中的铝和正极及负极之间局部导通(电子通道,离子通道),形成微电池,形成电势差。离子通道:电芯封装过程中,封边位的PP层受到热压后比较容易发生破损,另外折边工艺也容易造成PP层破损。
为探究PP破损点,对不同壳电压的电池采用镀铜方法分析。取软包电池,剪开保留铝塑袋,在铝塑袋中导入10%硫酸铜溶液,外接3.7V直流电源,负极探针刺破铝塑袋,让负极与铝直接接触导通,正极探针浸没在溶液中,测试20min后倒入溶液观察铝塑袋内部析铜情况。若PP层存在破损,硫酸铜溶液会直接与铝层接触,并在铝层表面还原成金属铜。
选取挑选正壳电压<0.8V,0.8-1.0V,1.0-2.0V,>3.0V电池进行电镀分析,切剖分析析铜位置,研究其产生的原因。 | | | 腐蚀风险 | 备注 |
<0.8V | 无析铜 | 破损情况很小 | 无负短风险 |
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0.8-1.0V | 点状析铜 | 轻微破损 | 负短风险较小 |
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1.0-2.0V | 密集且连续的析铜 | 破损 | 风险较大 |
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>3.0V | 无 | / | 风险最高 | 极耳处未封装好导致壳电压比较高,子通道发生联通 |
壳电压小于0.8V电池发生壳腐蚀的风险最低,壳电压在0.8-2.0V之间随着壳电压的增大,腐蚀的风险随之增大,壳电压大于3.0V时为电子通道发生连接,腐蚀风险最高。
对析铜位置进行分析,发现析铜的位置紧紧贴着铝层(距离约4μm),但是宏观无法看到明显破损点,说明破损点可能是微孔,电解液进入其中,并接触到铝层。对弯折前后的铝塑膜进行观察,可以看到弯折处的PP层存在泛白,而未析铜的PP层未发现弯折处泛白的现象,说明封装后的PP层机械性能发生变化,形成了微孔,导致电解液和铝壳接触,形成了壳压。PP层破损会导致电解液和铝层接触,当正壳电压达到一定程度时,并且极耳处的电子通道同时存在时,也就形成了腐蚀的三个条件。
设计方面:通过改善PP层的性能,改善其拉伸性能或者增加其厚度,可以改善壳电压;
工艺方面:优化工艺参数,减少PP层的拉伸,可以改善壳电压。
参考文献:
[1]赵彦孛,殷睿,李金恒,贾学恒. 软包聚合物锂离子电池壳电压研究[J]. 电源技术,2020,44(03):330-332+351.
[2]任宁,孙延先,吴耀辉,任晴晴,朱彦荣,伊廷锋. 软包装锂离子电池铝塑膜的腐蚀行为[J]. 有色金属工程,2015,5(05):29-32.