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鋰電池清潔度分析:磷酸鐵鋰中金屬異物的檢測與分析

 更新時間:2023-11-24 點擊量:830

為什么要做磷酸鐵鋰中金屬異物的檢測與分析

01【金屬異物對鋰電池安全的危害】

磷酸鐵鋰正極材料具有熱穩(wěn)定性優(yōu)異、循環(huán)壽命好、電化學穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)點,成為動力電池領(lǐng)域較理想的正極材料之一。但當磷酸鐵鋰材料中引入金屬雜質(zhì)時,會對電池的壽命及安全性有嚴重損害。

常見的金屬異物包括:鐵,鎳,銅,鋅,鉻等。金屬異物在電池化成階段會先在正極氧化再到負極還原,當負極處的金屬單質(zhì)累積到一定程度會形成枝晶,導(dǎo)致隔膜穿孔,造成電池內(nèi)部短路,提高電池的自放電率,嚴重時甚至會引起電池起火、爆炸,影響電池的安全性能。

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金屬異物累積造成隔膜穿孔過程示意圖

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金屬銅導(dǎo)致電池短路

(a)SEM 圖像 (b)各元素的分布

02【金屬異物來源以及如何管控】

1.來自于燒結(jié)過程中原材料生成的雜質(zhì)

在磷酸鐵鋰(LiFePO)的合成過程中會伴隨生成少量的 γ-FeO、FeP、FeP 及 FePO 等雜質(zhì),單質(zhì)鐵也會在還原性氣氛下在 500~700℃ 經(jīng) Fe 的還原而生成。這些雜質(zhì)的存在會降低材料的比容量和能量密度,雜質(zhì)鐵在電解液中溶解等副反應(yīng)會影響電池的使用壽命和安全性能。

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2.來自于制造過程中產(chǎn)線和環(huán)境中的異物

生產(chǎn)線中金屬異物的來源主要有以下兩個方面:一是設(shè)備和物料直接接觸引入(直接引入);二是空氣中的金屬飛散物進入材料中引入(間接引入)。下面詳細分析一下兩種引入方式的區(qū)別:

a. 直接引入

正極材料生產(chǎn)線最主要的工序有:混合,焙燒以及粉碎,涉及到的設(shè)備主要有混合機,輥道窯以及粉碎機。一般而言,設(shè)備上有金屬部件直接與物料接觸的都有可能造成直接引入風險。其中,和物料有連續(xù)的相對運動的部件產(chǎn)生磨損的可能性更大,為紅線區(qū)域,需要重點防護;和物料無連續(xù)的相對運動的部件,也需要采取必要的防護措施。

b. 間接引入

間接引入的來源更加復(fù)雜,空氣中的飛散物有可能來自設(shè)備零部件磨損產(chǎn)生的碎屑,也有可能由外界環(huán)境引入,甚至有可能由人員引入,因此管控起來就更加困難。

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正極材料生產(chǎn)線設(shè)計中對金屬異物的防護有幾項通用的規(guī)則:生產(chǎn)線所有設(shè)備與物料直接接觸的部分必須要求為非金屬材質(zhì),或者在金屬基材表面進行噴涂涂層進行防護。


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為了防止外界環(huán)境中的異物進入正極材料車間中,一般從以下幾個方面來進行管控:

  1. 車間門窗密閉,安裝新風系統(tǒng),新風經(jīng)過高效過濾器過濾后再進入車間內(nèi),新風量略大于排風量,車間保持 +3 Pa~+5 Pa 的微正壓;

  2. 車間大門采用雙層連鎖結(jié)構(gòu),內(nèi)置風淋室;

  3. 車間內(nèi)采用專用的轉(zhuǎn)運工具或車輛,外部轉(zhuǎn)運工具或車輛禁止進入車間內(nèi);

  4. 外來人員進出車間需更換服裝和鞋子,禁止攜帶手表、鑰匙、硬幣等金屬物品進入車間內(nèi);

  5. 車間內(nèi)地面采用永磁磁棒定期進行除磁;

  6. 制定相應(yīng)的規(guī)章制度和點檢表,定期檢查新風濾網(wǎng)更換情況;

  7. 在車間放置專用的器皿,定期監(jiān)測環(huán)境中的飛散物水平,如有異常及時進行調(diào)查整改。

03【金屬異物如何檢測】

那么,金屬異物到底該如何檢測呢?Phenom ParticleX 全自動鋰電清潔度分析系統(tǒng)以掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎(chǔ),可以全自動對鋰電中金屬雜質(zhì)顆粒(金屬異物)進行快速識別、分析和分類統(tǒng)計,為客戶的研發(fā)以及生產(chǎn)提供快速、準確和可靠的定量數(shù)據(jù)支持。其工作原理為:通過背散射成像的明暗襯度識別顆粒,進而對顆粒進行能譜成分分析,并根據(jù)顆粒形貌和成分信息對其進行自動分類。

如下表所示為使用篩分法收集樣品,并使用 Phenom ParticleX全自動鋰電清潔度分析系統(tǒng)測試磷酸鐵鋰中金屬異物的結(jié)果。可以看出,在篩分法中,磷酸鐵鋰主材占據(jù)了絕大部分顆粒,其平均氧含量為 44.2%,而磷化鐵和氧化鐵的含量較少,磷化鐵中氧含量較少,僅為 10.6%,而氧化鐵中并不含有磷的成分。

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金屬異物的統(tǒng)計結(jié)果(篩分法)

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金屬異物的平均成分(篩分法)

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自動獲取的磷化鐵的詳細信息

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自動獲取的氧化鐵的詳細信息


文獻

  1. Sun, Y., et al., A comprehensive research on internal short circuits caused by copper particle contaminants on cathode in lithium-ion batteries. eTransportation, 2022. 13: p. 100183.

  2. 呂超, 鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線金屬異物的來源以及控制方法. 裝備制造技術(shù), 2020(01): 第82-85頁.

  3. 楊智皋與顧正建, LiFePO_4鋰離子電池金屬異物的來源與控制. 電池, 2022. 52(01): 第86-90頁.

  4. 楊續(xù)來等, 磷酸鐵鋰磁性雜質(zhì)對電池自放電的影響. 電池, 2012. 42(06): 第314-317頁.


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