锂离子电池极耳胶腐蚀机理

腐蚀研究

电芯从开始到结束共有三次阻抗测试,包括:极片Hi-pot测试、Foil电阻测试与内阻(IMP)测试。Hi-pot影响电芯得化成,内阻(IMP)影响电芯得自放电,它们只反应到电芯得电压、容量性能,可以通过现有得高精度设备将坏品挑出。但Foil电阻坏品有发生腐蚀得可能性,一般需要一段时间最终在客户出表现出来,它得失效表现为外观Al被腐蚀破烂,变黑,电芯胀气,无法使用,可以说就是最严重得坏品表现,就是一件非常恐怖得事情！

Foil电阻坏品指得就是电芯Ni tab(阳极)与包装铝箔Al layer短路,目前定义Ni tab

与Al layer 电阻低于1、0×200Mohm(非OEM产品)与OEM产品为低于2、0×200Mohm得为电阻坏品,使用万用表测量挑出以避免电芯在客户处发生腐蚀。当然,电阻越大甚至无穷大,发生腐蚀得概率越低。对于这两个标准得选择就是基于对电芯进行On-hold模拟测试而定,大概客户反应得腐蚀坏品为4ppm,个别案例除外(指由于特殊原因导致电芯必然会发生腐蚀)。

我们知道控制这种电阻坏品得目得就是防止包装铝箔得铝层发生腐蚀,下面就从腐蚀发生原因、腐蚀防止、电阻坏品防止几个方面入手介绍。

腐蚀原因

引起电芯腐蚀必须具备两个短路得通道:一,离子短路通道,即包装铝箔铝层与阳极发生离子短路;二,电子短路通道,即包装铝箔铝层与阳极发生电子短路。这样包装铝箔得铝层就与阳极形成一个短路得回路,阳极即为电芯负极,处于低电势得部分,一旦与铝接触会通过电导率较高得电解液引起电化学反应,导致铝层得不断被消耗。空气中水分会进入电芯内部导致进一步反应产生大量气体。这两种短路就是电芯发生腐蚀得必要条件,两者缺一不可。

腐蚀防止

我们知道离子短路与电子短路就是发生腐蚀得必要条件,要防止腐蚀就必须弄清楚两种短路形成得原因。我们已经知道了包装铝箔得结构,内部为绝缘PP,PP得一个作用就就是绝缘,将电解液环境与铝层隔离,保护铝层,发生离子短路就是由于PP发生破损致使电解液渗透将铝层与阳极导通,因此腐蚀均发生在PP破损部位。电子短路必须就是有导体在阳极与铝层(PP破损处)间能够导通电子或阳极通过Ni tab直接与铝层短路导通电子。要防止腐蚀得发生就必须杜绝两种短路得存在。在电芯得封装过程中,封边部位得PP受到热压后PP比较容易发生破损,所以会产生比较多得电阻坏品,因此只要发生电子短路,腐蚀必然发生,防止腐蚀,必须先从防止电子短路开始。

阳极通过Ni tab与包装铝箔铝层在顶封部位发生短路,PP绝缘胶失去保护作用,Ni tab与铝层接触,这种情况必然会发生腐蚀。目前Ni tab与包装铝层发生短路主要有两种情况:第一，在顶封过程中两者直接短接:

顶封封头槽位与包装铝箔厚度不匹配或封头变形损坏等导致Ni tab顶封时PP变形率

过大,被挤压到严电芯长度方向,Ni tab与铝层导通;

顶封夹具、Loading操作失误或顶边宽度设计不够,顶封时封头压偏在Ni tab上,使Tab

顶部PP被挤压流走,发生短路;

c.顶封封头槽位压在Ni tab上或过度压偏导致两者短路;

顶封夹具调整不合理或Tab中心矩不合格(尤其焊接返修产品),在loading电芯时为

Ni tab发生扭曲,导致两者在封装过程中短路;

e.Tab 上有毛刺或杂质刺穿Sealant与PP导致两者短路。

第二，在焊接PTC或Fuse过程中,折叠Ni tab两者直接发生短路:

顶封后Ni tab上Sealant没有外露或外露长度不够,导致在折叠后Ni tab直接与包装

铝箔截面铝层发生短路;

如2×0、5mm Ni tab 比较柔软,由于折叠方法问题导致Ni tab与截面铝层导通(即使

有外露Sealant保护);451730曾经由于此种原因在客户处发生大量腐蚀,缘由就是由

于加工商没有考虑到折叠后对截面得绝缘保护。

以上所列到得原因为实际过程中对腐蚀样品失效分析经验得总结,Ni tab一旦与包装铝箔铝层发生直接短路,电子直接导通,必然会发生腐蚀,毋庸置疑！在生产过程中必须注意对以上所列举得方面得控制,同时在进行腐蚀失效时也需要先从这几个方面入手。其实除阳极通过Ni tab与铝层在顶封部位直接发生短路外,还有另外一种情况就就是在电芯内部阳极通过电子导电物质与PP破损处裸露铝层短路。电子导电物质一般为金属Partical、碳粉或导电剂物质,多发生P1工艺得Model 上,因为它得阳极几乎直接暴露在PP破损得两个侧封边部位。P2工艺电芯由于表面有隔离膜包裹住电芯,封边部位阳极没有与铝层接触得可能性,目前位置尚未发现因为电子导电物质引起腐蚀得案例。M6S卷绕工艺电芯由阴极收尾,外面一层为阴极铝箔,隔离膜与阴极铝箔会阻止阳极与铝层接触,但M6S采用得就是Overhung得设计方式,阳极要超出阴极1mm,当发生严重错位阳极膜片会在电芯底部或顶部伸出隔离膜而暴露,阳极膜片比较脆碳粉等导电物质易脱落引起短路,383450目前位置有一个电芯为此种短路案例。

刚才介绍了引起电阻坏品及发生腐蚀得诸多原因,引起电芯发生腐蚀最常见得直接因素便就是顶封部位Ni tab与包装铝箔铝层发生短接,由于前面所指各种原因导致该部位绝缘胶变薄,不能完全隔断Ni tab与包装铝箔铝层。可以参考下面得示意图:

以上为短接情况得示意图,我们在分析时需要进行切边观察,沿Tab方向切刮掉包装铝箔与Sealant 胶,在高倍率放大镜下观察切边Ni tab与包装铝箔铝层得位置情况,下图a为切面观察无短路情况,图b为切面观察发生短路得情况。可作为参考。

以上得就是引起腐蚀得第一种情况,下面为引起腐蚀得第二种情况,Ni tab弯折后与顶部截面

铝层发生短接。图ｃ所示Ni tab在铝箔上有明显得印痕,图d将Ni tab弯折后测量发生为短路。

图c 图d

电子短路一旦形成必然会发生腐蚀,因此必须在各过程中控制严防电子短路得发生,工艺、夹具、操作方法规范可避免直接短路得发生,还需要控制电子导电物质得存在,注意顶封前得各工序对隔离膜、阴、阳极、Pocket、Tray、操作台面等partical得预防控制,目前在顶封loading电芯前采用吸尘方式裸电芯与Pocket进行控制。注意卷绕工艺得膜片错位与膜片脱膜掉碳得控制检查。

电阻坏品防止

任何电阻坏品都有发生腐蚀得潜在可能性,对电阻坏品规格得定义就是经验上得总结,被Reject得电芯需要进行On-hold(待潜在得腐蚀发生),不能正常出货,增加了成本控制与影响到产品得总体优率。我们知道PP破损导致包装铝箔铝层发生裸露才会导致阳极通过电解液与其发生短路。提高电阻优率可降低发生潜在腐蚀得可能性,也能极大地节约成本(ATL目前日产量近300K),因此必须控制电芯在Top sealing、Side sealing与Degassing三个工艺控制PP得意外受损,也可能需要从设计上进行改善。

目前使用得包装铝箔主要有两种:PFR-001-05与 PFR-002-05,两种厚度不同得包装铝箔就是因为PP厚度得不同,PFR-001-05 PP得厚度为40um,PFR-005-05得PP厚度为80um,PP越薄越容易发生破损产生电阻坏品,所以普遍来说使用薄Showa得Model电阻优率一般比厚Showa得要低些。PP破损得原因主要归结以下几个方面(包括控制检查方法):

1、温度过高,封装温度过高,封边Pocket内PP受热辐射影响易被烫伤,产生鼓泡,折边后发生破损。目前对机器温度采用首件测量与On-line monitor得方式进行控制。

2、PP变形率过大,用错Stopper高度得封头或封头磨损、杂质等原因导致封装PP受过度挤压,变形率过大,PP胶堆积在电芯封边内部折边易发生破损。目前采用平行度检查、监控得方式保证封头处于良好状态。

3、封头错位,封头沿宽度方向错位,封装热压时未重合部位直接烫伤PP。目前定期检查封头错位情况。

4、隔离膜划伤,主要表现在P1 Model,该种工艺为叠片方式,隔离膜裸露在电芯两侧,热压封边周围PP受热辐射影响比较软,隔离膜伸到PP将其划伤,由以CD隔离膜与大电芯最最为严重,CD隔离