鋰離子電池電芯用負(fù)壓除粉屑的影響因素

霍首星，趙家昊，辛?xí)远?，郭其?/p>

[1. 中航鋰電(洛陽)有限公司，河南 洛陽 471000； 2. 中航鋰電科技有限公司，江蘇 常州 213000]

作為電動汽車的重要零部件，鋰離子電池的性能與電動汽車的使用壽命、消費者的人身安全密切相關(guān)，因此引起人們的廣泛關(guān)注[1]。容量較高的動力電池多為金屬鋁殼鋰離子動力電池，具有散熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點[2]。在電池制造過程中，設(shè)備和工裝等的磨損會產(chǎn)生微米級的金屬屑，機(jī)械夾爪夾持電芯會造成負(fù)極掉粉。這些金屬屑和負(fù)極粉會進(jìn)入電芯外表面與電芯保護(hù)膜之間，或電芯保護(hù)膜與殼體之間。這些粉屑會在電池長時間使用后導(dǎo)致正負(fù)極與鋁殼之間形成電氣連接，破壞鋁殼原有的鈍化膜，進(jìn)而造成鋁殼腐蝕，甚至漏液，影響電池的使用壽命和安全性能[3]。

粉屑引發(fā)鋁殼電池腐蝕漏液的機(jī)理為：Li+的直徑小于金屬鋁八面體間隙尺寸，可嵌入鋁殼中，形成Li3Al2或Li4Al4。電池使用過程中，金屬屑或負(fù)極粉使得電池負(fù)極與鋁殼接觸，導(dǎo)致負(fù)極絕緣失效，殼體電位降低，進(jìn)而造成正極與殼體間電壓增大；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，Li+開始嵌入鋁殼中。Li+在鋁殼中的嵌脫，導(dǎo)致鋁體積不斷變化，最終在應(yīng)力作用下粉化，引發(fā)殼體內(nèi)部腐蝕；腐蝕到一定程度，導(dǎo)致電池漏液，引發(fā)安全隱患[4-5]。為了更好地去除電芯表面和電芯保護(hù)膜表面的粉屑，需要提高電芯裝配線的負(fù)壓除粉屑能力，防止金屬屑和負(fù)極粉混入電池內(nèi)部，造成腐蝕漏液。

目前的研究中，本文作者尚未見到對鋰離子電池電芯用負(fù)壓除粉屑的影響因素的研究，而電芯用負(fù)壓除粉屑效果與電池的循環(huán)壽命和安全性能密切相關(guān)。為此，本文作者研究末端風(fēng)口風(fēng)速、末端風(fēng)口至風(fēng)源距離、粉屑尺寸和除塵方式對鋰離子電池電芯用負(fù)壓除粉屑效果的影響，制定電芯用負(fù)壓除粉屑的標(biāo)準(zhǔn)，解決電池殼體腐蝕問題，為電池生產(chǎn)線技術(shù)輸入提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，從而提高電池安全性能。

1 實驗

1.1 實驗樣品

用JD1510型方形打孔器(廣東產(chǎn))和SK5型美工刀(深圳產(chǎn))將12 μm厚的鋁箔片(煙臺產(chǎn))裁切至尺寸為1 mm×1 mm、2 mm×2 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm和5 mm×10 mm，依次記為樣品1-5。用電子天平分別稱取0.01 g不銹鋼粉(洛陽產(chǎn)，≤75 μm)和石墨體系的負(fù)極粉(洛陽產(chǎn)，75～200 μm)數(shù)份，裝入自封袋中備用。揉碎負(fù)極片上活性物質(zhì)后，再過上層80目和下層200目篩網(wǎng)，取下層篩網(wǎng)的篩上物，即為負(fù)極粉。鋁箔片、不銹鋼粉和負(fù)極粉統(tǒng)稱為粉屑。

1.2 實驗方法

實驗1：用UT362型風(fēng)速儀(廣東產(chǎn))測量VZSB-40型工業(yè)集塵器(東莞產(chǎn))上風(fēng)管末端風(fēng)速(末端風(fēng)口風(fēng)速)，測量3次，取平均值。將風(fēng)管末端固定在頂吸式負(fù)壓除粉屑實驗裝置(自制，如圖1所示)的移動滑塊上，再將不同尺寸的粉屑放置在水平臺上，以1 mm/s的速度使滑塊上的風(fēng)管勻速下降，逐漸靠近水平臺，直至水平臺上的粉屑被風(fēng)管末端風(fēng)口完全吸附。用菲林尺(廣州產(chǎn))測量水平臺表面和移動滑塊上的風(fēng)管末端垂直距離d1，即為粉屑被頂吸式負(fù)壓集塵器吸附的最大距離，用于衡量負(fù)壓除粉屑效果。調(diào)整工業(yè)集塵器檔位，改變末端風(fēng)口風(fēng)速，重復(fù)實驗1。

圖1 頂吸式負(fù)壓除粉屑實驗裝置示意圖

實驗2：在工業(yè)集塵器風(fēng)口上連接長度不同、管徑相同的風(fēng)管，用風(fēng)速儀測量末端風(fēng)口風(fēng)速，測量3次，取平均值，并記錄所測值。

實驗3：將工業(yè)集塵器上的風(fēng)管末端固定在側(cè)吸式負(fù)壓除粉屑實驗裝置(自制，如圖2所示)的移動滑塊上，使風(fēng)管中心與水平臺表面處于同一水平面。將移動滑塊上的風(fēng)管以1 mm/s的速度勻速下降，逐漸靠近水平臺，直至水平臺上的粉屑被移動滑塊上的風(fēng)管末端風(fēng)口完全吸附，用菲林尺測量水平臺放置粉屑中心位置和移動滑塊上的風(fēng)管末端水平距離d2，即為粉屑被側(cè)吸式負(fù)壓集塵器吸附的最大距離，比較d1和d2的大小。調(diào)整工業(yè)集塵器檔位，改變風(fēng)管末端風(fēng)速，重復(fù)實驗3。

圖2 側(cè)吸式負(fù)壓除粉屑實驗工裝示意圖

采用單一變量法，分別研究末端風(fēng)口風(fēng)速、末端風(fēng)口至風(fēng)源距離、粉屑尺寸和除塵方式對鋰離子電池電芯用負(fù)壓除粉屑效果的影響。具體實驗工藝方案詳見表1。

表1 實驗工藝方案

2 結(jié)果與討論

2.1 末端風(fēng)口風(fēng)速對負(fù)壓除粉屑效果的影響

按照表1中的方案1進(jìn)行實驗，研究末端風(fēng)口風(fēng)速對負(fù)壓除粉屑效果的影響，結(jié)果見圖3和圖4。

從圖3、圖4可知，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)徑為50 mm，粉屑放置在風(fēng)管正中心區(qū)域，且粉屑質(zhì)量≤0.01 g時，無論采用頂吸式還是側(cè)吸式，隨著末端風(fēng)口風(fēng)速(vvent)的增大，相同尺寸粉屑被完全吸附的最大距離均逐漸增大；且粉屑尺寸越小，增幅越明顯。對于微米級的粉屑，當(dāng)末端風(fēng)口風(fēng)速由9.7 m/s增大至24.4 m/s時，粉屑被完全吸附的最大距離提升86.6%以上。這表明，要提高生產(chǎn)線除塵能力，必須盡可能提高末端風(fēng)口風(fēng)速。

圖3 末端風(fēng)口風(fēng)速對頂吸式負(fù)壓除粉屑效果的影響

圖4 末端風(fēng)口風(fēng)速對側(cè)吸式負(fù)壓除粉屑效果的影響

2.2 末端風(fēng)口至風(fēng)源距離對負(fù)壓除粉屑效果的影響

按照表1中的方案2進(jìn)行實驗，研究末端風(fēng)口至風(fēng)源距離對風(fēng)速的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 末端風(fēng)口至風(fēng)源距離對風(fēng)速的影響

從圖5可知，隨著末端風(fēng)口至風(fēng)源距離(dvs)的增大，末端風(fēng)口風(fēng)速逐漸減小，從而負(fù)壓吸附粉屑的能力減弱，此現(xiàn)象符合擬合曲線方程(1)。

y=-0.3077x+25.94

(1)

式(1)中：y代表末端風(fēng)口風(fēng)速，m/s；x代表末端風(fēng)口至風(fēng)源距離，m。

式(1)的相關(guān)系數(shù)R2為0.998 9，說明所擬合的曲線可靠。當(dāng)末端風(fēng)口至風(fēng)源距離從0 m增大至8 m時，末端風(fēng)口風(fēng)速由25.9 m/s衰減至23.5 m/s，衰減率為9.3%。理論上，風(fēng)源風(fēng)量與管徑和風(fēng)速的關(guān)系如式(2)所示。

Q=v(1/4 πD2)

(2)

式(2)中：Q代表風(fēng)源風(fēng)量，m3/s；D代表管徑，m；v代表風(fēng)速，m/s。

理論上，當(dāng)風(fēng)源風(fēng)量不變、管徑不變時，末端風(fēng)口風(fēng)速不變；但是當(dāng)管道風(fēng)流為紊流狀態(tài)時，風(fēng)流經(jīng)一條管道時會產(chǎn)生一定的阻力，末端風(fēng)口風(fēng)速會有所降低[6]。綜上所述，在生產(chǎn)線的集塵器上連接除塵管道時，盡量保證末端風(fēng)口至風(fēng)源的距離不能太遠(yuǎn)，控制在8 m之內(nèi)。

2.3 粉屑尺寸對負(fù)壓除粉屑效果的影響

按照表1中的方案3進(jìn)行實驗，研究粉屑尺寸對負(fù)壓除粉屑效果的影響，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 粉屑尺寸對頂吸式負(fù)壓除粉屑效果的影響

圖7 粉屑尺寸對側(cè)吸式負(fù)壓除粉屑效果的影響

從圖6、圖7可知，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)徑為50 mm，粉屑放置在風(fēng)管正中心區(qū)域，且粉屑質(zhì)量≤0.01 g時，在相同末端風(fēng)口風(fēng)速下(分別為9.7 m/s、19.7 m/s和24.4 m/s)，無論采用頂吸式還是側(cè)吸式，隨著粉屑尺寸的增大，粉屑被完全吸附的最大距離均逐漸增大。

2.4 除塵方式對負(fù)壓除粉屑效果的影響

按照表1中的方案4進(jìn)行實驗，研究除塵方式對負(fù)壓除粉屑效果的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 除塵方式對負(fù)壓除粉屑效果的影響

從圖8可知，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)徑為50 mm，粉屑放置在風(fēng)管正中心區(qū)域，且粉屑質(zhì)量≤0.01 g時，在相同末端風(fēng)口風(fēng)速下(分別為9.7 m/s、19.7 m/s和24.4 m/s)，相同尺寸粉屑被側(cè)吸的最大距離均大于被頂吸的最大距離。

2.5 實際應(yīng)用效果

按表1中的方案5進(jìn)行實驗，除塵裝置見圖9，頂吸式負(fù)壓除塵實際效果見圖10，觀察裸電芯被頂吸式負(fù)壓除去表面不同類型粉屑的效果，結(jié)果見表2。

圖9 除塵裝置Fig.9 The powder-removing device

圖10 頂吸式負(fù)壓除塵實際效果

表2 頂吸式負(fù)壓除去不同類型粉屑的效果

從表2可知，在電芯采用頂吸式除塵下，末端風(fēng)口風(fēng)速為10.5 m/s且末端風(fēng)口與電芯上表面距離為2.0 cm時，實際生產(chǎn)中可完全除去裸電芯表面鋁屑和負(fù)極粉。

3 結(jié)論

本文作者通過對影響鋰離子電池電芯用負(fù)壓除粉屑效果的一些重要因素進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

隨著末端風(fēng)口風(fēng)速的增大，相同尺寸粉屑被完全吸附的最大距離逐漸增大。

對于微米級的粉屑，當(dāng)末端風(fēng)口風(fēng)速由9.7 m/s增大至24.4 m/s時，粉屑被完全吸附的最大距離提升86.6%以上。

當(dāng)末端風(fēng)口至風(fēng)源距離從0增大至8 m時，末端風(fēng)口風(fēng)速由25.9 m/s衰減至23.5 m/s，衰減率為9.3%。

在相同末端風(fēng)口風(fēng)速和除塵方式下，隨著粉屑尺寸的增大，粉屑被完全吸附的最大距離逐漸增大。

在相同末端風(fēng)口風(fēng)速下，相同尺寸粉屑被側(cè)吸的最大距離大于被頂吸的最大距離。

綜上所述，電芯組裝生產(chǎn)線盡可能地采用大于10.5 m/s的末端風(fēng)口風(fēng)速，末端風(fēng)口與除塵點位距離不高于2.0 cm，另外在集塵器上連接除塵管道時，需保證末端風(fēng)口至風(fēng)源的距離控制在8 m之內(nèi)。除此之外，生產(chǎn)線安裝除塵裝置時，可以考慮在末端風(fēng)口位置安裝合適的吸塵罩，以提升除塵效果，并定期監(jiān)測末端風(fēng)口風(fēng)速。