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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

    發布時間: 2023-11-24  點擊次數: 1900次

    為什麽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定性優異、循環壽命好、電化學穩定、環境友好等優點,成為動力電池領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累積到一定程度會形成枝晶,導致隔膜穿孔,造成電池內部短路,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.來自於燒結過程中原材料生成的雜質

    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,單質鐵也會在還原性氣氛下在 500~700℃ 經 Fe 的還原而生成。這些雜質的存在會降低材料的比容量和能量密度,雜質鐵在電解液中溶解等副反應會影響電池的使用壽命和安全性能。

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    2.來自於製造過程中產線和環境中的異物

    生產線中金屬異物的來源主要有以下兩個方麵:一是設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)。下麵詳細分析一下兩種引入方式的區別:

    a. 直接引入

    正極材料生產線最主要的工序有:混合,焙燒以及粉碎,涉及到的設備主要有混合機,輥道窯以及粉碎機。一般而言,設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,和物料有連續的相對運動的部件產生磨損的可能性更大,為紅線區域,需要重點防護;和物料無連續的相對運動的部件,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複雜,空氣中的飛散物有可能來自設備零部件磨損產生的碎屑,也有可能由外界環境引入,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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    正極材料生產線設計中對金屬異物的防護有幾項通用的規則:生產線所有設備與物料直接接觸的部分必須要求為非金屬材質,或者在金屬基材表麵進行噴塗塗層進行防護。

     

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

    1. 車間門窗密閉,安裝新風係統,新風經過高效過濾器過濾後再進入車間內,新風量略大於排風量,車間保持 +3 Pa~+5 Pa 的微正壓;

    2. 車間大門采用雙層連鎖結構,內置風淋室;

    3. 車間內采用專用的轉運工具或車輛,外部轉運工具或車輛禁止進入車間內;

    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;

    5. 車間內地麵采用永磁磁棒定期進行除磁;

    6. 製定相應的規章製度和點檢表,定期檢查新風濾網更換情況;

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

    03【金屬異物如何檢測】

    那麽,金屬異物到底該如何檢測呢?Phenom ParticleX 全自動鋰電清潔度分析係統以掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎,可以全自動對鋰電中金屬雜質顆粒(金屬異物)進行快速識別、分析和分類統計,為客戶的研發以及生產提供快速、準確和可靠的定量數據支持。 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,並根據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,並使用 Phenom ParticleX全自動鋰電清潔度分析係統測試磷酸鐵鋰中金屬異物的結果。可以看出,在篩分法中,磷酸鐵鋰主材占據了絕大部分顆粒,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%,而氧化鐵中並不含有磷的成分。

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    金屬異物的統計結果(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線金屬異物的來源以及控製方法. 裝備製造技術, 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製. 電池, 2022. 52(01): 第86-90頁.

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


     

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