三元动力电池单体一致性控制及评测技术

1单体电池一致性的概念电池一致性电池一致性定义电池在有能量或无能量输入输出的情况下，各单体电池参数（电压、荷电状态、热参数、容量、自放电率、充放电效率、内阻等以及上述参数随时间的变化率和稳定状况）的相同程度称为电池的一致性。由于电池制造原材料、生产零部件、制作工艺、生产环境以及使用环境的差别，电池的一致性是一直存在的一个问题。电池单体一致性单体一致性主要由参数的：①静态一致性②动态一致性 ③趋势一致性组成 2单体电池一致性对成组的影响单电芯一致性对成组的影响1.高容量电池还处于浅放电时，容量低的已深放电；容量高的深放电时，容量低的已无电可放，成为负载。2.容量不同的电池最适合的放电倍率有差。3.容量低的电池提前充满，继续充电过充。容量1.对于串联：放电过程中，串联中电流相同内阻大的电池，电压降大，能量损耗大，产生的热量大，热量大电池的温升增高，长期下来内阻进一步变大，电池恶性循环。2.对于并联，影响分流的大小。电流大的电池，电压会提前到达限制电压，影响整体系统容量发挥。内阻成组一致性 电压一致性主要影响并联电池组中电池的互充电，当一节电池电压过低时，并联中的其它电池给该节电池充电，损耗整个电池组的能量。随着电池组不与外电路连接时间的增大，自放电大的电池容量损失大，电压下降变大，增大了电池组中电池的不一致，将促进产生容量不一致，电压不一致和内阻不一致。甚至可能产生过放电或安全隐患。自放电 3影响单体电池一致性的因素原材料对一致性的影响设计&生产环节对一致性的影响•标准法规•材料选型•电芯设计•技术路线•工艺路线•设备水平•作业工艺•湿度控制•温度控制•异物控制•设备水平•作业工艺•湿度控制•温度控制•异物控制 4对关键参数的控制和评测技术电池组一致性的控制路径•数据模型•分选方法•分选制度•配组制度•原材料管控•设计的管控•工艺的管控•配组参数管控•数据模型•均衡管理•寿命管理•风险管理单体电池分选制度原材料管控•合作伙伴•检验基准••除主辅料到厂检验外，材料的存贮、领用、使用也需要注意：•标准化的存储条件（温湿度和时间要求）•批次领料的严格区分及可追溯性•需要客户公司和关键原材料供应商之间建立起一种伙伴关系。•双反共同改进质量、费用和周期时间。•结合相关的国标，行标制定本公司的来料检验基准。•检验基准需双方互认，并实现标准化。•检验设备的能•• •质量方法•质量管理的八项原则：以顾客为中心、领导的作用、全员参与、过程方法、系统管理、持续改进、以事实为基础、以及互利的供方关系。 检验能力力和精度满足要求。精良的检验人员。检验环境 电池设计的管控电池一致性与电池的安全特性密切相关，在一定条件下， 拓宽电池的安全窗口。CENAT的电池技术对应①浆料加工技术②硬碳应用技术③层叠设计技术④动态配组技术 示例：硬碳的应用项目硬炭构造炭化温度1000-1500℃层间隔0.37-0.38nm膨胀性小耐久性高Li嵌脱易 提升滥用下（过充，过放，大电流等）安全性 电池工艺的管控温度传感器被测材料温度传感器测量输出关键指标管控-直流内阻锂离子电池内部表现为非线性特性，其等效模型主要由阳极内阻、阴极内阻、阳极电容、阴极电容、欧姆内阻和一个理想等效电压源组成。 为了便于工程计算，该模型可以等效为极化内阻、欧姆内阻、分布电容和理想电压源。其中极化内阻和分布电容反映的是锂离子电池动态特性。欧姆内阻则是反映电池静态性能。通过对这些数据的掌握，便可较为精确地估算出SOC和SOH等参数。电池一致性评估的重点是：①不同SOC以及不同温度下的直流内阻测评。②电芯温度分布曲线（可间接估出）。直流内阻的测量-方法测试原理是通过对电池或电池组施加较大的电流，持续较短时间，在电池内部还没有达到安全极化的情况下，根据施加电流前后电压变化及电流计算的阻值。数据应用性较高时间持续5s放电电流9c充电为放电的3c时间持续10s放电电流5c或更高充电为放电的75%具体电流根据电池特性决定首先建立0-100%SOC电流-电压特性曲线，分别以1c,2c,5c,10c对设定SOC下的电池进行充放电，充电时间为10S直流内阻测试方法“863”电动汽车专项日本JEVSD713美国FreedomCAR直流内阻的测试-SOC影响充电测试放电测试从测试数据看，电池在20-80%SOC下电池的直流内阻数据变化较为平稳。 直流内阻的测试-温度影响充电测试从测试数据看，电池在低温情况下下电池的直流内阻数据急剧增加。温场不一致，一致性很好的单体电池也会变得不一致。除了直流内阻评测外，电池系统一致性设计和评测还包括：①单体电池温度分布特性；②极耳温度分布特性；③接触点及连接热分布特性；④模组效率损耗。考虑到电芯各特性受温度影响非常大，因此需对Pack各部分的温度是可控和均匀分布的。总结：单体动力电池一致性的工作核心为直流内阻，自放电和温场数据库的建立，为Pack设计提供充足的数据资源。 电池研发和生产中的质量检验随着新能源汽车的市场规模不断扩大，电池制造商如果希望在强手林立的市场中拔得头筹，就不能在质量上走捷径。电池的质量保证过程是复杂且多方面的，从材料研发开始，原材料加工，电芯生产，到电池模组装配，品控伴随着生产的每一步。本聚焦产品手册介绍了电动汽车电池的六个主要质量检验关，以及应对每个关口质量挑战时的解决方案。质量检验关1：材料研发阴极、阳极和隔膜材料研发客户面临的挑战电芯材料的微观结构，如颗粒的大小、形状和化学成分以及杂质的存在，将决定电池的性能。需要各种分析解决方案来了解材料和电池性能之间的关系。聚合物材料，如粘合剂、导电剂和隔膜，如果使用普通电镜，在样品制备中的喷金过程，会改变其表面结构和特性。此类样品，需要不喷金、低电压、高分辨率和高对比度的电镜成像。 质量检验关2：结构研究用于功能性研究的预组装测试客户面临的挑战在制备用于分析的样品时，已经充电和老化的锂离子电池必须避免暴露在空气。大面积横截面成像对于可视化电池的内部电极结构，以及材料的形状、孔隙和裂纹等细节非常重要。需要在不拆解电池的情况下无损3D高分辨率成像分析电池结构的原始状态。解决方案蔡司的样品制备解决方案使用充气手套箱和真空转移盒，有助于保护电池样品在扫描电镜制样和转移时不暴露在空气中。蔡司的横截面解决方案利用飞秒激光切割、氩离子抛光和机械抛光工艺，用于制备大面积的横截面。蔡司Gemini SEM非常适合在低电压下分析束流敏感电池材料，并在正视图和横截面视图上以高分辨率和高对比度来区分电极中不同类型的材料。蔡司Xradia X射线显微镜（XRM）可以实现对活性材料、极片和电芯层级的高分辨率3D无损成像。 质量检验关3：原材料加工来料检测客户面临的挑战原材料颗粒，如阴极和阳极颗粒，其孔隙、裂缝和损坏，会降低电芯的性能和效率。为了分析电池故障的可能性并能够更好地控制生产工艺，可视化原材料的微观结构是必要的。检查阴极颗粒的化学元素比例和阳极粒子的纯度是生产高质量电芯的另一个重要步骤。解决方案蔡司扫描电子显微镜包含完整的样品制备工作流程，能够快速、连贯地生成材料微观结构的清晰图像。蔡司ZEN软件（该显微镜的操作软件）可为产品质量进行定量分析。 质量检验关4：电芯生产清洁度–防止颗粒污染客户面临的挑战金属异物可导致锂枝晶生长、短路或热失控，对锂离子电池构成重大安全问题。电池活性材料在运输和生产工艺中很容易被污染。为了防止任何质量问题，需要严格控制粒径大小超过5 μm的异物。高精度，高效率的清洁度评估采用“一次扫描”技术，效率高颗粒化学组成 关联的颗粒分析 解决方案蔡司光学显微镜清洁度分析（TCA）解决方案提供了定量的颗粒分析，它区分了金属/纤维/非金属颗粒的类型。蔡司电子显微镜清洁度分析解决方案自动每个粒子的化学成分，因此能准确追溯污染物来源。蔡司清洁度分析建立有完备的工作流程，既能识别污染，又能找到产生颗粒污染的根本原因。质量检验关4：电芯生产毛刺检查–监测电极毛刺客户面临的挑战铜和铝集流体上的金属毛刺的主要来源是由于刀片的切割。决定何时更换刀片涉及到质量和成本之间的权衡。使用光学显微镜在产线上的毛刺检测 电镜下观测热影响区（HAZ） 自动毛刺检测蔡司光学显微镜产品组合为不同的客户群体提供了从研发到大规蔡司毛刺检测系统结合了蔡司的自动化光学显微镜，实现了工厂需要检查电芯的内部缺陷（金属异物、极片翻折和极耳焊接等），以避免后续浪费和安全隐患。必须准确、清晰、快速地识别电芯的内部问题。对于组装好的电芯，需要无损测量其极片的排列和位置的尺寸， 解决方案模生产的图像解决方案。环境下的自动毛刺检测。质量检验关5：电芯生产客户面临的挑战特别是对齐度。 解决方案蔡司X射线系列为对齐度、孔隙、焊接缺陷等，提供高分辨率成像。蔡司METROTOM工业CT可满足不同用户（研发、质量控制、质量保证和失效分析）的多种应用需求。蔡司GOM软件针对3D数据进行分析，易于使用。 质量检验关6：模组装配客户面临的挑战：无损CT检查是新能源汽车（NEV）电池模组装配的必要步骤。任何与安全问题有关的模组内部缺陷都应在QC和QA过程中发现。CT扫描必须能够分析到几微米的小金属颗粒，以及几微米级的缺陷。来确保装配质量和进行失效分析。模组的对齐度检测内置电子元件（如连接器和PCB）的检测金属夹杂物识别解决方案：蔡司计量解决方案可以辨别出模组中不同类型的缺陷和金属夹杂物。蔡司METROTOM 1500和蔡司VoluMax 9 titan可以轻松容纳大尺寸的电池模组。蔡司METROTOM 1500和蔡司VoluMax 9 titan通过3k像素分辨率的探测器提供高分辨率成像。 汇流排和极耳焊接检测外壳缺陷的检测模组的涂胶检测