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磁棒去除锂离子电池极片磁粉的影响因素研究

2021-05-07 13:57:09

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生产线磁芯选型时,还应考虑磁芯磁感应强度衰减率和磁芯清洁的方便性。

锂离子电池热失控事故的主要原因之一是内短路。机械滥用、电滥用和热滥用均会导致电池内短路,进而诱发热失控。机械滥用,会造成电池变形和电芯内引入异物,尤其是金属异物,造成电池正负极之间形成电气连接,导致锂离子电池发生剧烈的内短路。对于金属异物颗粒,造成内短路的机理主要为两类: ①金属异物颗粒直接刺破隔膜,造成内短路; ②混在正极的金属颗粒先溶解扩散,随后在负极表面析出,诱导金属枝晶生长,刺破隔膜,造成内短路

通过能量散射谱( EDS) 分析发现,拆解的电池负极表面黑点处含有 FeCr Ni 等元素,判定黑点为不锈钢( FeCrNi) 、铁粉( Fe) 或铁锈( 主成分为 Fe ) 等混入极片中,FeNi 等为磁性材料。锂离子电池及电极材料生产时,通常可通过除磁工艺除去 FeNi 等磁性金属异物。在电极极片生产时,为了达到更好的去除磁性粉末杂质的效果,需要提高生产线的除磁能力,防止金属异物混入电芯内部。极片用磁芯的去除磁粉效果与电池的安全性能密切相关,为此,研究磁粉杂质类型、磁粉质量、磁芯磁感应强度、包覆磁芯物厚度和磁芯放置状态对锂离子电池极片用磁芯去除磁粉杂质效果的影响,以期为电池生产线在线除磁提供理论基础和技术支撑,并减少电池极片表面的黑点,提高电池安全性能。


 

实验


实验样品


分别将 304 不锈钢和 QT500-7 铁块手工打磨,得到的粉末过80 目筛( 200 μm) ,并统称为磁粉。用电子天平分别称取多份 0. 02 g0. 05 g0. 10 g0. 20 g1. 00 g 的不锈钢粉和铁粉,再称取 1. 00 g 不锈钢块,装入自封袋中,备用。

 

实验方法


实验使用圆形磁芯和方形磁芯


实验 1: TM-801EXP 强力高斯计在若干磁芯上测量磁芯的磁感应强度,并标记 3 次最大值的位置。将标记好的磁芯固定在自制磁芯实验工装的 A 板上 ,再将磁粉放置在磁芯实验工装 B 板上,缓慢向上移动 B 板逐渐靠近 A 板,直至 B 板上的磁粉被 A 板上的磁芯完全吸附,用菲林尺测量 B 板和 A 板的垂直距离 d,即为磁粉被磁芯吸附的最大距离,用于衡量磁芯去除磁粉的效果。


实验 2: 用高斯计在所需磁芯上测量磁芯磁感应强度,并标记 3 次最大值的位置及记录所测值,再将不同厚度、不具备磁性的不锈钢片 贴合在磁芯表面,在对应磁芯标记位置测量 3 次不锈钢片表面的磁感应强度


实验 3: 用高斯计在两根相同磁感应强度和型号的磁芯上测量磁芯磁感应强度,并标记 3 次最大值位置。将标记好的两根磁芯分别固定在磁芯实验工装的 A 板和 C 板上,再将定量磁粉放置在磁芯实验工装 B 板上。缓慢向上移动 C 板上的磁芯磁芯恰好能吸附 B 板上的磁粉,此时 B 板上的磁粉不会直接粘到 C 板而是附着在 B 板上表面,再缓慢且同时向上移动 B 板和 C 板,逐渐靠近 A 板,直至 B 板上的磁粉被A 板上的磁芯完全吸附,用菲林尺测量 B 板和 A 板垂直距离d1; 去掉 C 板上的磁芯,缓慢移动 B 板逐渐靠近 A 板,直至 B板上的磁粉被 A 板上的磁芯完全吸附,用菲林尺测量 B 板和A 板垂直距离 d2,比较 d1d2的大小。采用单一变量法,分别研究磁粉类型、磁粉质量、磁芯磁感应强度、包覆磁芯物厚度以及磁芯放置状态对锂离子电池极片用磁芯去除磁粉的效果。


 

结果与讨论

 

磁粉类型对磁芯去除磁粉效果的影响

 

使用 1. 00 g 铁粉、打磨的不锈钢粉和不锈钢块,1 根磁感应强度为 0. 850 00. 900 0 T 圆形磁芯,按实验 1 的步骤研究不同类型磁粉对磁芯去除磁粉效果的影响。

 

不锈钢块不具备磁性,经打磨后的不锈钢粉具备磁性。相同磁感应强度下,圆形磁芯吸附铁粉的能力比吸附打磨后的不锈钢粉强,磁感应强度为 0. 850 00. 900 0 T磁芯,吸附铁粉的最大距离比吸附不锈钢粉的长 26. 7%。这主要是因为铁的磁导率高于不锈钢,且冷加工后的不锈钢会形成磁滞回线,导磁性能会显著增强,同时,冷加工后的不锈钢发生单一奥氏体组织的 α-Fe 相变,部分变为马氏体组织,从而具备磁性。

 

磁粉质量对磁芯去除磁粉效果的影响

 

称取 0. 02 g0. 05 g0. 10 g 0. 20 g 的不锈钢粉和铁粉各 3 份,选用磁感应强度为 0.400 0 0. 900 0 T 的若干根圆形磁芯,按实验 1 的步骤研究磁粉质量对磁芯去除磁粉效果的影响

 

不论是铁粉还是不锈钢粉,被同磁感应强度的磁芯吸附时,随着磁粉质量的增多,吸附的最大距离均无明显变化,当磁粉质量从 0. 02 g 增加到 0. 20 g 时,磁粉被相同磁感应强度的磁芯吸附的最大距离变化率在 3. 0%以内。

 

磁芯磁感应强度对磁芯去除磁粉效果的影响

 

称取若干份 0. 05 g 的铁粉和不锈钢粉,选用磁感应强度为 0. 200 01. 100 0 T 的圆形磁芯若干根,按实验 1 的步骤研究不同磁感应强度的磁芯对去除磁粉效果影响随着磁芯磁感应强度的增加,吸附铁粉和不锈钢粉的最大距离均增大,但是相同磁感应强度磁芯吸附铁粉的能力强于吸附不锈钢粉的能力。

 

包覆磁芯物厚度对磁芯去除磁粉效果的影响

 

取一根磁感应强度为 0. 600 0 0. 650 0 T 的方形磁芯,按实验 2 的步骤,研究包覆磁芯( 不锈钢片) 厚度对磁感应强度的影响随着包覆磁芯物厚度的增大,磁芯磁感应强度减小,导致磁芯吸附磁性物质的能力减弱

 

磁芯放置状态对磁芯去除磁粉效果的影响

 

称取 0. 05 g 的铁粉 6 份,选用两根磁感应强度为 0. 850 00. 900 0 T 的圆形磁芯,按实验 3 的步骤研究磁芯放置状态对磁芯去除磁粉效果的影响两根相同磁感应强度( 0. 850 00. 900 0 T)磁芯错开放置时,吸附铁粉的最大距离平均值比完全面对面放置时的长 14. 9%,即两根磁芯在同一水平面或垂直面完全面对面放置时,会削弱磁芯吸附铁粉效果。

 

综上所述,生产线安装磁芯时,需保证与极片对应的磁芯面磁感应强度和垂直距离,以满足吸附磁性物质要求,且磁芯表面不能包覆物质。另外,锂离子电池极片多为两面涂覆,磁芯应在极片两面上下搭配使用,同时两磁芯应错开放置,不应在同一水平面或垂直面完全面对面放置。除此之外,生产线磁芯选型时,还应考虑磁芯磁感应强度衰减率和磁芯清洁的方便性。


作者: 永欣电子
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