如何快速測定電極/電池的安全性與失效原因

如何從元素分佈診斷電池失效原因?

作者利泓科技
日期2023-02-02
此篇文章想讓你知道的是

  • 鋰電池分析技術瓶頸
  • 電極材料 & 元素與鋰電池效能之間的關係
  • 鋰電池製程中的元素檢測方式
  • 如何快速測定電極/電池的安全性與失效原因
 
關鍵字│鋰電池製程 ‧ 輕元素分析 ‧ 元素分佈 ‧ 電池效能 ‧ 快速測定

在政府公佈的淨零政策規劃下,電動車的普及成為這個政策下相當重要的環節,根據交通部的規劃希望我國在2030年可以達到公車全面電動化並於2040年達到電動車市售率100%。在政府積極的推動下,在未來幾年電動車的需求會大幅增加,連帶著高能量密度、長生命週期的鋰電池的需求也會因此而增加。

出處:交通部運具電動化及無碳化會議簡報

- 車用鋰電池遇到的難題 -

然而電動車已經推出十餘年,仍然無法普及的原因為現階段電動車採用的鋰電池存在著安全性不足、續航力低與壽命低等問題。再加上為了提高鋰電池的續航力與能量密度,許多電池廠正不斷研究將石墨電極摻雜矽材以提高電池的電容量,但提高的電容量的同時卻也讓安全性的問題浮上檯面。有研究指出在充放電過程中矽材的體積會劇烈膨脹,可能會導致整顆電池因此爆炸。因此如何提高續航力與電池壽命且增加安全性,是現在鋰電池研發上非常重要的議題。

- 為何鋰電池中的元素分佈這麼重要? -

鋰電池的電極的製備可以說是整個鋰電池的核心所在,電極在製造過程中會經過以下四個主要的過程:漿料混合(Slurry mixing)、塗佈(Coating)、乾燥(Drying)、壓延(Calendaring)。每經過一個製程都會有相對應的檢測方法去確認製造過程中是不是有出現什麼問題,但卻很少有方法可以去做各成分的分佈的分析。

電極材料在極板上的分佈之所以如此重要是因為它會直接影響到鋰電池的充放電循環次數。

舉例來說,黏著劑與導電劑的分佈甚至是材料間的空隙的分佈都會造成電極板表面區域性的電流密度的分佈不均,進而造成電池在充放電的過程產生區域性的鋰金屬堆積,這個現象就會進一步造成電流沒辦法順利傳導到電流收集器上而導致電池失效。一個快速且有效的方法來測量各項材料的分佈可以幫助研發人員快速判斷現行的製程是否有要調整的地方,藉此不斷地優化製程。

鋰元素的濃度在經過壓延與沒經過壓延的區域明顯不同,可以推論材料間的孔洞程度也會影響電流密度的分佈。

雷射剝蝕+光譜分析,讓你輕鬆了解鋰電池內部元素分佈

雷射剝蝕元素光譜儀(LIBS)為研發人員提供了一個了解電極板材料分佈的新式技術。

相對於使用傳統元素分析方法如:EDX、ICP-OES或是ICP-MS。

使用LIBS做鋰電池材料分析有以下特點:

  • 可以分析多種輕元素包含H、Li、C、O、F、Si等,輕鬆得到黏著劑或是導電劑的空間資訊。
  • 樣品不需前處理,可直接在大氣環境下做分析。
  • 具深層剖面,分層分析能力。
  • 提供特殊樣品分析槽,支援不拆解電池直接分析內部元素空間分佈。
  • 分析速度快,數秒完成全光譜分析。

有效確認漿料混合過程中黏著劑與活性材料的分佈變化

快速分析黏著劑空間分佈,優化漿料混合製程

使用LIBS技術,我們可以輕鬆地得到傳統元素分析無法得到的氟元素(F)訊號,可以用來監控電極常用的黏著劑PVDF的分佈。在漿料混合的過程中,攪拌速率、攪拌方法甚至攪拌時間都會影響到電極材料各成分是否團聚或結塊。

以下是用LIBS分析負極板的應用實例:

藉由分析F與C的分佈,了解黏著劑與其他含碳材料在電極板上分佈的實際狀況,協助使用者去調整最佳的混漿條件達到更佳均勻的材料分佈。

電極安全性的快速檢查

監測矽元素在電極板上分佈,預測電池膨脹的可能性

除了黏著劑的分佈以外,LIBS也可以分析矽(Si)元素的訊號,用來分析石墨矽材的負荷電極。

如上面所述,Si在充放電過程中會有劇烈的體積變化,有可能會導致電池破裂而發生爆炸。藉由分析Si的分佈,可以得知是否有機會造成電極膨脹的危險。

Si分佈越多的區域越有可能發生膨脹的風險,同時以Na代表CMC黏著劑的分佈,黏著劑越少的區域也越有可能導致電極發生龜裂。搭配兩種元素的訊號,可以協助研發人員優化混漿條件並開發出更安全的鋰電池。

乾燥過程對黏著劑分佈的影響

電極板深度分析,剖析乾燥過程中黏著劑的移動方式

除了分析混漿狀況外,也可以分析乾燥過程中電極的變化。在溶劑離開電極的過程中,可能會挾帶黏著劑移動而導致黏著劑的分佈不均勻,這樣的過程很難用傳統的方法做分析,然而若是用LIBS卻可以快速得到黏著劑的資訊。以下是使用LIBS分析乾燥過後的電極的應用實例:

測量O的訊號即可以分析CMC黏合劑的分佈,可以看到在溶劑(水)離開後,會將CMC黏著劑一同帶到電極表面,而SBR黏著劑則不受溶劑離開後的影響。利用LIBS的快速且深度分析,讓研發人員能快速的掌握電極內部資訊並調整乾燥條件。

失效電池快速檢測

輕元素快速檢測,分析失效電池中鋰元素的團聚狀況

除了製程狀況的檢測,電池失效的檢測也同樣可以用LIBS做分析,在上面提到因為電流密度的不均勻可能導致鋰元素(Li)的堆疊而讓電池失效。因LIBS相對現有的元素分析技術,可以測到Li的訊號,因此利用次特性便可以得到充放電過後Li金屬在正極板上的分佈,便可回推哪個製程須在做進一步的優化。

分析電池失效後的正電極板的鋰元素分佈,可以看到在某些區域上有鋰元素的堆積而導致電池發生問題。這可以協助研發人員更進一步地探究電池失效與鋰元素堆積的官能性。

符合綠色化學,高效快速元素分析技術 — LIBS

1. 輕元素及有機元素分析( F, H, C, O, Si)
2. 具深層剖面,分層分析能力
(元素 3D 空間分佈,mapping 資訊)
3. 數秒完成全光譜分析
4. 不需酸消化前處理,樣品直接上機分析
5. 無需真空,在一般大氣環境下分析
6. 支援串聯市售任何廠牌 ICPMS,同時得到光譜質譜分析結果