Ursachen und vorbeugende Maßnahmen für geringe Isolierung in quadratischen Lithiumbatterien

Daten aus elektrischen Leistungstests zeigten, dass die Spannungs- und Innenwiderstandsparameter der fehlerhaften Zelle im normalen Bereich lagen und herkömmliche elektrische Tests die versteckte Gefahr nicht erkennen konnten. Allerdings lag die Minuspolspannung der Zelle deutlich unter dem Normwert. Bei der Demontage und Prüfung wurde eine abnormale Leitfähigkeit zwischen dem Minuspol und der oberen Abdeckung festgestellt. Ein CT-Scan bestätigte, dass metallische Fremdkörper in der Isolierschicht der oberen Abdeckung eingebettet waren und die Isolationsstruktur zwischen dem Terminal und dem Gehäuse direkt zerstörten. Dieser Fehler tritt häufig bei der Massenproduktion verschiedener Aluminiumgehäuse für prismatische Lithium-Ionen-Zellen auf und ist ein versteckter Fehler, der durch Nachlässigkeit bei der Kontrolle von Fremdkörpern im Prozess verursacht wird.

Die Rückverfolgung des Produktionsprozesses ergab, dass die metallischen Fremdkörper hauptsächlich aus zwei Hochrisikoprozessen stammten. Erstens war beim Spritzgießen und Pressen der Spalt zwischen den Schneidkanten der Minuspol-Stanzform zu groß, wodurch beim Pressvorgang Kupferspäne und Metallgrate entstanden. Zweitens wurden Edelstahlpartikel in das isolierende PPS-Rohmaterial eingemischt und nach dem Spritzgießen wurden Metallfragmente in die Isolationsschicht eingebettet. Gleichzeitig führten die offenen Trocknungs- und Zuführmethoden leicht zum Einatmen von schwebendem Metallstaub in der Werkstatt, was die Wahrscheinlichkeit weiter erhöhte, dass Verunreinigungen in die Isolierschicht der oberen Abdeckung des Aluminiumgehäuses der Lithium-Energiezelle eingemischt wurden.

Diese Art von Isolationsfehler ist durch eine langsame Induktion und einen verzögerten Ausfall gekennzeichnet und stellt keinen unmittelbaren Fehler im Werk dar. Die Zelle besteht im Werk den 500-V-Spannungsisolationstest, winzige Metallreste innerhalb der Isolationsschicht können jedoch nicht erkannt werden. Nach dem Zusammenbau und Schweißen der Batterie schmilzt die PP-Isolierschicht der oberen Abdeckung bei hohen Temperaturen und Metallreste werden durch den Fluss des Kolloids verdrängt. Beim Abkühlen schrumpft der Kunststoff und es bilden sich winzige Lücken. Vibrationen während des Gerätebetriebs führen zu intermittierender Leitfähigkeit zwischen den Anschlüssen und der oberen Abdeckung, wodurch kontinuierlich Mikro-Kurzschlüsse ausgelöst werden, die nach und nach zu elektrochemischer Korrosion und Elektrolytaustritt im Aluminiumgehäuse einer einzelligen Lithium---Ionenbatterie führen.

Die Korrosion der Aluminiumhülle in Lithiumbatterien hat einen klaren elektrochemischen Mechanismus, der die gleichzeitige Erfüllung sowohl elektronischer als auch ionischer Kurzschlussbedingungen erfordert. Unter normalen Bedingungen liegt das Batteriegehäuse auf einem hohen Potenzial und ist vollständig von der negativen Elektrode isoliert. Sobald ein metallischer Fremdkörper die Leitfähigkeit zwischen dem Anschluss und dem Gehäuse verursacht, nimmt das Potenzial des Aluminiumgehäuses schnell ab, wodurch Bedingungen für Lithiierungskorrosion entstehen. Nachdem die Hülle mit Lithiumionen im Elektrolyten in Kontakt kommt, kommt es zu einer Redoxreaktion, bei der sich nach und nach eine Aluminium-Lithiumlegierung bildet, was der gängigen Korrosionsversagenslogik von Aluminiumhüllen für prismatische Lithium-Eisenphosphat-Zellen entspricht.

Der Schalenkorrosionsprozess besteht aus drei Phasen: Reduzierung des Oberflächenaluminiumoxids, Bildung einer Lithiumlegierung und tiefe elektrochemische Korrosion. Während die Lithium-Interkalationsreaktion weitergeht, verbinden sich Korrosionsprodukte mit Luft und Kohlendioxid zu alkalischen Salzen, was die Erosion und Leckage der Hülle beschleunigt. Da die Außenbeschichtung der Zelle eine vollständige Isolierung bietet und nur einen vorgebohrten Montagespalt und ein Positionierungsloch an der Unterseite aufweist, konzentrieren sich Korrosions-, Leckage- und Isolationsfehlerprobleme hauptsächlich auf den unteren Bereich des Aluminiumgehäuses der Lithium-Ionen-Zelle.

Um die Grundursache des Eintrags metallischer Fremdstoffe anzugehen, muss die Industrie die Prozesskontrolle während des gesamten Prozesses optimieren. Dies kann erreicht werden, indem die Formmaterialien verbessert, der Klingenabstand verringert und ein Entgratungs- und Polierprozess hinzugefügt wird, um bei der Elektrodenbearbeitung entstehende Metallrückstände zu entfernen. Hinzufügen eines Prozesses zur Trennung und Prüfung von Rohstoffmetallen, um PPS-Rohstoffverunreinigungen herauszufiltern; und Modifizierung der Trocknungs- und Saugausrüstung, um einen geschlossenen -Kreislauf-Betriebsmodus zu übernehmen, wodurch das Risiko einer Fremdkörperverunreinigung während der Produktion von Aluminiumgehäusen für prismatische und zylindrische Batteriegehäuse umfassend reduziert wird.

Die Optimierung von Prüfstandards ist das zentrale Mittel zur Erkennung latenter Fehler. Der bestehende 500-V-Spannungstest kann keine winzigen Isolationslücken durchdringen und reicht nicht aus, um eingebettete Metalltrümmerdefekte zu erkennen. Unter Beibehaltung der ursprünglichen Teststandards wurde ein neuer Prozess zur Vollendprüfung mit 1.500 V Hochspannung und 2 mA Strom hinzugefügt, der abnormale Isolationsprobleme in der oberen Abdeckung effektiv erkennen, fehlerhafte Zellen genau abfangen und die Fabrikdurchlaufquote sowie die langfristige Betriebsstabilität der passenden Zellen für das Aluminium-Tiefziehstanz-Batteriegehäuse erheblich verbessern kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptursache für geringe Isolierung und Gehäusekorrosion bei quadratischen Lithiumbatterien die mangelnde Kontrolle über metallische Fremdkörper während des Produktionsprozesses ist. Versteckte Mikrokurzschlüsse können nach und nach zu Batterieausfällen und Sicherheitsrisiken führen. Bei der Massenproduktion von Energiebatterien sind Rohstoffkontrolle, Prozessoptimierung und Upgrades von Hochspannungstests unabdingbar. Nur durch die Einrichtung eines umfassenden Qualitätskontrollsystems können Isolationsfehler in verschiedenen Aluminiumgehäusen von Lithium-Trockenzellenbatterien an ihrer Quelle vermieden werden, wodurch ein sicherer und stabiler Betrieb des Leistungsbatteriesystems gewährleistet wird.

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