采用问题解决型QC-STORY八步骤回顾预充电排气工艺优化案例。
一、问题提出
在生产过程中,我们分析电池数据时发现容量、内阻一致性特别差。与预期值进行比较,容量比设计值20Ah约低2Ah,具体如图2所示。
图2 电池容量和内阻IR分布
二、现状调查与目标设定
首先对样品电池进行了多方调查,各工段数据分析。极片面密度满足品质管理要求,卷芯质量满足品质管理要求,电池质量满足管理要求,从这些数据分析可见,极片质量、注液量都满足要求,不是导致容量低的原因。
于是,我们拆解电池,发现极片与隔膜之间存在大量的气泡,如图3所示。对满电状态下的电池拆解观察,负极极片上存在很多没有反应的斑点(图4),气泡影响Li+在正负极来回往返,正、负极活性物质没有充分反应,容量偏低,而且一致性差。
图3 预充后电池拆解形貌
图4 满电状态下,负极极片形貌
这种气泡会导致负极表面不能形成良好的SEI膜,如果首次预充过程中形成的SEI膜不够稳定,随着循环的进行负极材料可能会剥落、破坏,在电极表面重新形成SEI膜,再次产生气体,降低电池的容量,加速电池的衰减。另外,充放电循环过程中,气泡影响Li+在正负极来回往返,正极活性物质也不能充分反应,降低可逆循环的效率。而且,这种气泡存在于电池壳体内,易引起电池的鼓胀、甚至爆炸的质量问题。
针对以上问题,我们成立了改善小组优化预充工艺,减少电池内部的气泡,消除负极极片上没有参与反应的斑点。并且最后确定了目标:容量达到20±1Ah,内阻0.95±0.20mΩ。
三、要因分析
针对以上出现的问题,我们从预充电原理出发,从人、机、物、法、环(4M1E)查找原因,并对具体的可能原因,提出了实验方案和实施计划。最终,我们分析主要的原因可能包括:
(1)目前的预充条件不合适,不能够使电池内部产气完全,预充不能达到理想效果;
(2)预充时电池内部产气完全,但是气体未能完全排出,仍存在极片与隔膜之间。
四、对策制定与实施
对于问题1:预充条件不合适,产气不完全。我们设计实验,通过改变充电时间调整预充电SOC状态,对比了不同SOC对产气的影响。
对电池预充电15min、30min、60min、90min,对应的SOC大约分别为 5%、10%、20%、30%。预充电之后,不抽真空拆解电池。电池拆解时,负极和隔膜粘结在一起不分开,依次展开电池正极、负极/隔膜,观察隔膜与负极之间留存的气泡,结果如图5所示。SOC达到30%时,气泡比SOC达到5%、10% 、20%时要少,但是仍旧存在很多气泡。
图5 不同SOC预充电电池拆解气泡情况
于是,电池预充电后再进行抽真空3min,再拆解电池观察气泡情况,结果如图6所示。同时还对预充电后抽真空3min的电池进行化成,然后在满电状态下进行拆解,观察负极极片形貌,结果如图7所示。电池在预充和抽真空3min后,拆解发现与图5不抽真空电池相比,气泡减少了一些。在不同的SOC条件下,电池内部气泡无明显差异。电池经过预充、抽真空3min及化成后满电拆解,发现SOC达到30%时黑色斑点量最少。再对比电池内阻,电池的预充SOC达到20%、30%时,预充后测得的电阻较小,而且SOC 30%时内阻最小,化成后容量高。
图7 不同SOC预充电-抽真空3min-化成满电电池拆解负极情况
因此,最终确定预充电SOC为30%。但是,气泡仍旧存在,我们再考察要因2的影响。
对于问题2:预充电产生的气体未能完全排出,仍存在极片与隔膜之间。我们调整了预充后抽真空的条件,主要包括时间和真空度。
首先,电池预充电SOC30%后,分别对电池抽取真空不同的时间,考察了抽真空时间对电池内阻IR的影响,数据结果如表1所示。通过实验可以看到,预充后抽真空6min,IR/OCV基本稳定,由于电池间还有一些微小差异,为了确保气泡充分排出,最终预充后抽真空的时间定确定为10min。
表1 不同的时间抽真空电池的IR变化
其次,考察了保持真空度的影响,之前抽真空工艺的真空度为-90kPa,我们设定更低的真空度到-96kPa,电池预充电SOC30%,不同真空度下抽真空10min,拆解观察气泡情况,结果如图8所示。实验结果发现,-96kPa真空度能够更好地排除电池极片内部的气泡,排气效果明显,而且负极极片表明更加平整,没有褶皱。
其次,考察了保持真空度的影响,之前抽真空工艺的真空度为-90kPa,我们设定更低的真空度到-96kPa,电池预充电SOC30%,不同真空度下抽真空10min,拆解观察气泡情况,结果如图8所示。实验结果发现,-96kPa真空度能够更好地排除电池极片内部的气泡,排气效果明显,而且负极极片表明更加平整,没有褶皱。
图8 不同真空度处理电池的拆解情况:左图-90kPa,右边-96kPa
五、效果检查与验证
通过以上改善实验,最终确定预充电排气工艺为:
预充电SOC约为30% (0.2C,1.5h),预充后抽真空10min,真空度 -96KPa。
确定工艺后,经过几个批次电池的试制,分析电池数据,容量为20.3±0.6Ah,内阻为0.87±0.05mΩ,达到设定目标。
图9 电池容量分布
六、标准化、总结与反思
预充电工艺优化实验结果经过多部门的确认,最后将优化的工艺参数写入工艺标准和作业流程书,标准化改善结果。
电池样品试制过程中,生产工艺存在很多需要进一步改善的地方,对于生产实践过程中的问题,首先采用三现二原(现场、现物、现实、原理、原则)主义,收集数据,把握现状,认识问题,此时,4M1E分析问题方法特别重要,各个工序的要素都是由人(man)、机械(machine)、原料(material)、方法(method)、环境(environment)这几个部分构成的,分析问题时就可以从这几个方面入手,采用特性要因图工具全面分析问题,找出重要的原因,并制定对策。
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