SSB蓄电池-浅谈动力电池清洁度对电池寿命的影响

SSB蓄电池-浅谈动力电池清洁度对电池寿命的影响

随着新型清洁能源更多应用在汽车行业，动力电池的使用寿命与汽车的科技价值、使用价值、经济价值息息相关，更安全耐用的电源成为群众选择和认可汽车的核心竞争力。探究动力电池的安全寿命，不得不提到电池内、外部的清洁度对其的长远影响。本文以磷酸铁锂电池为例，探讨动力电池的清洁度定义及影响、异物来源、以及制造过程提高清洁度的关键举措等内容。

关键词：电池清洁度 电池寿命 电池制造

引言

动力电池的清洁度指的是电池表面和内部附着物的量，这些附着物可能包括金属杂质、灰尘、化学残留物等，它们会从不同的角度影响电池的性能和寿命。在讨论清洁度之前，首先来分析动力电池的清洁度是如何影响电池寿命的。

1电池清洁度与电池寿命的关系

1.1电池工作原理及影响电池寿命的基本原理

电池的基本原理是化学能与电能互相转换的过程，其核心组成部分包括‌电极、‌隔膜、‌电解质、‌外壳和‌端子，通过化学反应在正极和负极之间产生电势差，从而产生电流。当电池放电时，化学能转化为电能，电流通过外部电路流动；而充电时，外部电源向电池提供电能，使化学物质恢复原状。在电池充、放电的过程中，能量转换的效率决定了电池的寿命。电池内局部的过早短路，是影响电池寿命的主要原因。而短路点的产生，与电池内部清洁度有较强相关性。

1.2电池隔膜材料影响电池寿命的主要因素

隔膜是动力电池重要的安全组分，通过其微孔结构，在隔离正、负极材料，保证绝缘性能的基础上，为锂离子的氧化还原反应提供通道，加速反应进程，提高充、放电效率。隔膜破损的情况下，会直接造成电池的正、负极直接接触，形成短路。局部的隔膜刺穿导致的短路点，是影响电池寿命的关键因素。

1.3电池正极材料影响电池寿命的主要因素

磷酸铁锂电池的主要正极材料为磷酸铁锂，在电池化成阶段会先在正极氧化再到负极还原，如果电池内部存在金属异物，当外接电源电压高于电池正极中金属异物［铁（Fe）、铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）、锌（Zn）、银（Ag）等］氧化还原电位时，电池正极中金属异物便会被氧化成金属离子迁移至电池负极并沉积，以金属枝晶附着于锂离子电池负极，金属枝晶刺穿隔膜导致隔膜穿孔，造成电池内部短路，提高电池的自放电率，严重时甚至会引起电池起火、爆炸，影响电池的安全性能。这是电池清洁度中金属异物对电池寿命的影响。

1.4电池制造过程引入异物对电池清洁度的影响

在电池制造过程中，需经过粉料的烧结、粉碎，隔膜的拉伸、分切，电极的辊压、模切，电池组装的卷绕、热压、焊接等工序，而制造过程中，随原料、设备、人员、甚至大环境引入的大颗粒非金属异物，也会导致在电池化成后，隔膜刺穿，影响电池的自放电率，从而影响电池寿命。这是电池清洁度中废金属异物对电池寿命的物理影响。

1.5 BMS清洁度影响电池寿命的原理

电池管理系统（BMS）是动力电池的大脑，在电池单体通过串、并联组成电池组后，BMS通过系统线程，实时监控电池状态，合理分配电池单体的提高电池的使用效率，延长电池的使用寿命。在BMS的结构中，分为硬件板和软件板，基础的制作工艺是焊接和清洗，在焊接过程中，如助焊剂的化学残留物污染导致有机酸腐蚀电路板，随时间和环境温湿度的变化，电路板会出现短路、烧蚀、短接等可靠性问题，进而影响电池寿命。

2电池清洁度的异物来源

2.1电池正极材料影响电池清洁度的主要异物来源

在磷酸铁锂（LiFePO）的合成过程中，经过烧结，会伴随生成少量的 γ-FeO、FeP、FeP 及 FePO 等杂质，单质铁也会在还原性气氛下在 500～700℃ 经 Fe 的还原而生成。这些杂质的存在会降低材料的比容量和能量密度，杂质铁在电解液中溶解等副反应会影响电池的使用寿命和安全性能。

2.2电池隔膜影响电池清洁度的主要异物来源

现在市面绝大部分的隔膜不再是单纯的PE膜，而是增加涂覆层以提高隔膜性能，这种以陶瓷为主的涂覆材料降低了隔膜的热收缩率，还大大提高了隔膜的抗穿刺能力，同时，不会影响透气性，保证了锂离子的流动。一些剥离强度不良的隔膜，或是陶瓷浆料分散不均的隔膜，在电池卷绕并经过热压后，随PE基膜的收缩，陶瓷层会出现块状脱落，脱落处的锂离子更易于堆积，从而更早形成枝晶结构，刺穿隔膜，导致短路，从而影响电池寿命。

2.3电池制造过程影响电池清洁度的主要异物来源

电池的生产制造工序是最易引入异物的来源。正极材料生产线最主要的工序有：混合，焙烧以及粉碎，涉及到的设备主要有混合机，辊道窑以及粉碎机；电池单体生产线最重要的工序有：制浆，涂布，辊压，模切，卷绕，热压，焊接等，一般而言，设备上有金属部件直接与物料接触的都有可能造成直接引入风险。

2.4 BMS制造过程影响电池清洁度的主要异物来源

电池管理系统（BMS）的焊接工序，为防止虚焊、假焊，通常会使用助焊剂，可以清除PCB板焊接表面上的氧化物使金属表面达到必要的清洁度，破坏融锡表面张力，防止焊接时表面再度氧化。助焊剂的主要成分是有机酸、树脂以及其它成分，高温和复杂的化学反应过程改变了助焊剂残留物的结构，残留物往往是多聚物、卤化物、同锡铅反应产生的金属盐等，它们有较强的吸附性能和较差的溶解性能，因此更难清洗，残留会对PCBA造成腐蚀，在通电过程中有可能由于焊盘之间的电势差而形成短路，从而导致BMS失效。

除以上原料及生产过程的异物引入之外，电池制造过程的环境异物也是电池清洁度的重要异物来源。

3动力电池提高清洁度的关键举措

3.1原料探测手段

从原料的角度，要建立针对原料的金属检测手段。一般利用ICP设备可以对原材料中的金属物质进行定量分析，探测超过检出限的金属物类别。

3.2生产工序防异物引入

针对生产制造过程，主要的与物料直接接触的设备，必须严格限制材质，要求使用非金属材质，间接接触的金属部件，需要做好喷涂防护，减少设备磨损引起的金属粉尘飞溅。对于无法更换材质、无法喷涂的关键金属工装部件，如焊头、焊座等，需要监控工装使用寿命，定期更换，管理磨损风险。同时针对风险更大的金属物质，需要建立全线除磁管理，从粉料除磁、设备除磁、环境除磁等角度，全面降低金属异物引入电池产品的概率。

3.3制造环境的洁净度管控

制造车间内的环境异物管理也很重要，新风系统FFU滤网管理、工作人员的无尘净化管理、生产线的大环境洁净度定标及监控管理、物料流传过程的防护管理、生产过程的关键点除尘管理等，都是提高电池清洁度的有效管理举措。

3.4电池成品筛选

电池化成后，通过后期的充放电曲线k值监控与筛选，可以提前剔除存在自放电过快的电池单体，减少终端电池使用的寿命风险。