静电容量的量测对锂离子电池电芯的卷绕与堆栈质量管理的贡献

19 Aug 2025

锂离子电池的干电芯一般生产检测都只有耐压或绝缘的测试,足够高的测试电压与测试过程中的电气闪络的检出可检出具风险的未来内部短路不良品(因隔膜局部穿刺或破孔)。但要提高测试电压降低电池内短风险却往往让生产厂家却步,因为堆栈卷绕制程常令干电芯半成品耐压较原始正常隔离膜耐压大幅降低而难以实现,且难以分析其根本原因。事实上,锂离子电池干电芯结构是一个实质的塑料膜电容,如果能透过静电容量(C)量测,可以透过各个材料或物理结构与C的关系管理相关制程与材料质量。

由(1)式参数可整理出与C相关的有:
①.    隔离膜: 进料(膜厚,疏孔率),制程异常加热
②.    卷绕堆栈: 皱褶,松散,电极重和度
③.    测试治具压力 

以一批次C值偏低异常为例:于【表1】整理出其可能原因与对电池质量的影响。

参数 表象可能原因 实际可能原因 对电池质量影响
ε 变小 隔离膜疏孔率异常上升 原始材料改变
  • 隔膜耐压降低,间接降低可测试电压,影响毛边或金属异物混入可检出能力
  • 可能多处局部破孔,未来容易内短或电析
干电芯组立制程过度加热
A 变小 电极重和度不佳 机械失修或调整不佳 容量降低,易电析内短
d 变大 膜厚增加 原始材料改变 内阻增加
堆栈/卷绕皱褶、松散 机械失修或调整不佳 内阻增加,充放电不均匀,机械组装异常
测试夹压力道降低 机械失修或调整不佳 影响毛边或金属异物混入可检出能力

▲【表1】批次C值偏低异常可能原因与对电池质量的影响

 

以一常见被忽略的因素”加热”影响干电芯的绝缘耐压质量为例说明C量测管理可看到什么。在干电芯卷绕与堆栈过程,为了电极与隔膜间的贴合与成形,常会有加热工法。另外干燥处理也会有加热行为,但却少有人针对加热后隔离膜”耐压”产生何种变化。

【图1】为一实际案例,加热干燥处理前后干电芯的变化。除了容量降低约20%,意外的耐压能力也降低了约150V (到了空气崩溃电位350V)。


▲【图1】 加热处理在干电芯形成的C值变化与耐压影响的关联

此例原因应为加热造成隔离膜内疏孔变大(所以C值下降),当多处空孔孔径超过隔膜厚度时就会形成接近空气的耐压程度,而失去隔离膜原有的耐压能力。若无相对分析,可能只会选择降低测试电压,殊不知这无形中降低检出局部穿刺与破孔的短路高风险品的能力而降低电池安全性。透过C值分布管理,也可管理制程材料一致性,也可在制程设计或变更时观察是否有值得确认之变异,甚至堆栈与卷绕设备的老化也有机会早期发现,可在电池芯前期制成降低风险与产品损失。

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