万字深度解析,锂电池极片拆解与全面分析报告

万字解析 | 锂电池极片拆解分析报告
一、引言
随着全球能源需求的不断增长和环保意识的提升，锂电池因其高能量密度、长循环寿命和环保特性，已成为新能源领域的重要储能解决方案。极片作为锂电池的核心组成部分，其性能直接影响着电池的整体性能。本报告通过对锂电池极片的拆解分析，旨在深入了解极片的材料组成、结构特点、性能表现及其在电池中的应用。
二、锂电池极片概述
1. 极片定义
锂电池极片是指由正极材料、负极材料、集流体、粘结剂和导电剂等组成的薄片状电极材料。
2. 极片结构
（1）正极材料：主要包括锂离子、钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂等。
（2）负极材料：主要包括石墨、硅、钛酸锂等。
（3）集流体：通常采用铜箔或铝箔。
（4）粘结剂：用于将正负极材料、集流体和导电剂粘结在一起，常用材料有聚丙烯酸（PAA）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。
（5）导电剂：提高电池的导电性能，常用材料有炭黑、导电聚合物等。
三、锂电池极片拆解分析
1. 正极材料
（1）材料组成：正极材料主要由锂离子、钴酸锂、磷酸铁锂

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作为一个锂电工程师，曾经每天的工作是这样的：做实验-拆电池-写报告，然后不断的循环。今天就之前做的一些电池拆解给大家分享一下。

首先申明，拆解极片，通过观察极片状态，可以在一定程度上发现此电池的状态，推测不良极片的发生原因，但万事无绝对，对原因的推测，一定要谨慎，同样的不良可能来自于不同的工序，而问题的关闭，则需要经过反复验证推敲，才能确保问题不复现。

• 准备工作

因为只有在带电的情况下才能更好的观察极片状态，这里说的极片状态指的都是负极片，正极片在充放电前后变化不明显，而负极片在充电后的颜色和表面的变化相当的明显，所以我们的拆解都会充一定SOC的电，这样负极片的变化会比较明显，尤其是充满电的情况下，负极片可是金光闪闪的…

首先，因为电池带电，电池拆解需要在一个温湿度控制的环境进行，温度和湿度要是高了，双重buff加持下，电池分分钟冒烟爆燃，依稀记得那是一个三伏天，刚拆完电池的我和小伙伴收拾起极片装在了塑料袋里，到了极片回收区域，还没来得及往上面浇水处理，极片在袋子打开的短短10秒内就冒烟、燃烧；

其次，要做好个人防护，防酸性气体口罩，那是需要的；防喷溅面罩和眼罩，那是不可少了；隔离手套，必不可少的；如果你的手想像我年少不懂事的时候的手那样，这里就不放图了，轻则手会脱皮掉落，小针扎的感觉，重则...；防护服，穿一套，避免电解液或者异物掉入自己皮肤；

然后，准备好相应工具，一般可选择的工具有斜口钳（经过我对多种钳子的实践，发现这玩意是最适合的），胶带（把正负极耳头覆盖防止金属接触短路）；刀片（为了便于斜口钳快速拆解，可用刀片先行进行简单的划痕处理，然后按照痕迹拆解）；陶瓷剪刀（剪断盖板和卷芯连接的极耳）；

最后，做好一定的心理建设和准备，指不定什么时候一不小心就把电池弄短路冒烟了，这时候大脑要按照之前的预案迅速的把电池处理掉，安全是第一位的！（这里也奉劝各位，没有经过拆解培训和实战的，不要轻易去尝试，真的很危险!!!）

• 拆解过程

做好准备工作，就可以开始拆解了。我之前的拆解过程是：

1、把电池称重后，先把两个极耳端用胶布贴上，避免金属触碰短路；

2、再用刀片在电池上距离顶部0.5cm一圈划一道深痕，但不把电池壳体完全划破；

3、用斜口钳从电池转角开始逐渐剥离盖板和壳体的这0.5cm的铝壳；

4、全部剥离后就可以从上把卷芯给提出来，注意铝壳边缘不能划破卷芯；观察底部电解液存量及颜色，去除卷芯外面的绝缘包膜，然后把两个极耳剪掉（尽可能的剪到靠近极片端，避免后面拆解时候短路），把盖板取下来，这时候可以观察一下极耳焊接是否存在虚焊、焊偏以及极耳翘曲的情况，也可以观察盖板内部是否存在异常；

5、撕掉上下两侧胶带，找到最外层的终止胶带，把胶带取下来后将极片依次展开，注意不要让正负极片接触，这期间可以观察隔膜的情况，是否透明，是否有黑点，是否短路，是否有活性物质脱落等；

6、最后，展开的极片分开，就可以进一步的细致观察了。

下面分享一些拆解后极片分析,供各位同行们知悉，以下拆解基本上基于NCM622正极、石墨负极的三元电池极片，因铁锂的年代久远，很多图片均已模糊，仅穿插了一点关于铁锂的拆解。

• Case 1

有两个三元电池在分容后容量存在接近2mAh的差异，于是把这两个电池进行拆解分析，首先进行外观尺寸、重量和电压测量；两个电池外观正常没有胀气；容量正常、电池重量也正常，偏低容量电池重量相较于容量偏高电池低10g（但在工艺许可范围内），电压正常，于是充到3.85V（大约80%以上SOC）后开始拆解，最终极片状态如下：

偏高容量电池：

偏低容量电池：

显而易见，偏低容量的电池存在黑点，也就是未充电区域，仔细观察我们发现，黑点区域存在空隙的痕迹，表面电解液未完全浸润到，但并非电解液注入量不足，我们称量过亦复核过注液数据，考虑是卷绕张力导致的轻微褶皱，后面热压后存在一定缝隙，电解液浸润不足导致的局部嵌锂失败。

而诸如这样的存在黑点未充电区域的极片，在一些偏低容量的电池中会经常发现。

他们可能是这样的：

这样的：

也可能是这样的：

具体问题具体分析，低容只是一种失效后果，要抽丝剥茧，才能找到其根本原因，然后做相关的参数调整，过程优化。当然，有时候也会很奇妙，并不是不可逆的，就上面这样的情况，第一次定容出来可能低容了，再次进行分容会发现容量又恢复正常，毕竟极片是经过多层的卷绕或叠片而来，存在某个微小的浸润不良、个体差异也是允许的，所以通常会对定容异常的（除非明显异常）进行一个二次分容，再次来判定电池状态。

• Case 2

化成工序的起始充电电流优化试验。我们都知道，在化成工序起始充电的电流倍率都很低，讲究所谓的涓涓细流充电，起始是0.05C，逐步增加到0.1C和0.2C，考虑小电流阶段会增加化成时间，故而想取消0.05C，直接使用0.1C进行化成，于是选取了两组电池进行了化成，以及后面的烘烤、补液、清洗、分容等相关的工序。除化成外，其余均保持正常工序步骤。结束后对电池进行拆解，得到极片状态如下：

上面两条极片是实验条件下极片状态，下面两条极片是正常条件下极片状态。单从极片状态来看，并没有太大的差异，是否意味着我们可以直接从0.1C开始化成呢？保持谨慎的态度，我们对两组电池进行了进一步测试；

首先，将分容后的电池充到满电状态，用电压内阻仪测试其电压和内阻，发现两组并无明显差异；其次，将两组电池满电状态下进行交流阻抗（EIS）测试，结果如下：

从EIS曲线可以看出，正常条件2的偏差比较大，按理不应该存在这样的情况，后面通过进一步了解，考虑是存在测量系统的不同导致，正常条件2的电池为一个实习检测人员测量，后面的测量则交给了另一个专业的测试工程师，通过征询专业测试人员的意见，他们认为测量系统的变差因素对交流阻抗测定数据具有较大的影响，于是排除正常条件2后，无论是正常条件还是实验条件都显示出基本相同的曲线。锂离子电池的交流阻抗测定结果，近似于等价回路能够分解阻抗成分。

这里简单介绍一下这个交流阻抗测试，等价回路图如下所示：

这个公式中的Rc显示的是电极的反应阻抗，能够将电极的状态数值化。类比出的结果可以从Rc来读取。结果汇总如下：

根据类比等价回路，除去测定条件变化的正常条件2电池，正常条件与实验条件电池，分离出的反应阻抗，即使数值化之后，也基本没有大差别。由此可见，按照实验条件进行化成，电极的反应状况与正常生产条件没有什么变化。根据这样的考察结果，我们认为化成作业可以从0.1C开始充电。

• Case 3

分容时间缩短优化实验。通常的，电池后端的作业流程是在化成时候充电到一定的SOC（并不会充满电），到分容后第一步进行补电到满电状态，再进行放电-充电-放电-充电的过程，电流一般采用0.5C进行充放。为了缩短分容时间（约可以缩短2H），我们试验取消第一步的补电过程，直接放完后进行充电-放电-充电的流程，电流仍然选择0.5C。对完成的电池进行了拆解得到极片如下：

正常条件极片拆解：

试验条件极片拆解：

与正常条件对比，我们发现试验条件下电池的容量比正常工艺下低了1.7%左右，拆解的极片反应存在一定的黑点未充电区域，该结果与放电次数少，容量高的结论相悖。考虑到设备差异我们做了进一步的对比验证。

1、充电曲线对比

单从充放电曲线来看，二者并没有太大差异。实验工艺的CC（恒流）充电时间短。因此确认了恒流比（CC容量/总容量）。

汇总如下表：

从图表的结果来看，实验工艺电池的恒流比，要比正常工艺电池的低1%左右。即CC容量的比例较低，CV（恒压）容量比例较高。CV容量比高的话，可以推测原因可能有：电池自身的容量低，内阻高，反应阻抗高，环境温度低，设备误差等情况。缩短分容时间减少1次满充电，并不会使电池的性能变差。每个电池之间存在差异，正常工艺电池和实验工艺电池都存在容量高和容量低的情况。因此，针对实验工艺电池的放电容量低这一点，推测有电池本身的容量低、环境温度低、分容装置的误差这些可能。

2、进一步的，将电池送到测试中心进行专业的容量检测

检测中心的数据显示实验工艺的放电容量比正常工艺高1%左右，与现场分容装置得到的数据结果恰好相反，与实验目的和结论相同。因此，可以说分容时间缩短的电池的放电容量高是正确的。这不禁使我们困惑，两者得出了截然不同的结果，但测试中心的测量系统我们经过核实，并没有发现明显的变差。

两者结果不同原因分析：

1）推测分容装置测定出实验工艺的容量偏低的原因可能与电池温度相关。

分容时间缩短实验中，是从化成后的放电开始的，放电容量低，电池的放电末期产生热量较少。正常条件下，是从充电开始，满放电之后再充电，放电末期的温度上升会比实验工艺要大，电池温度上升导致容量变高。

2）排除化成过程和材料原因。

如果电池化成状态差，经过反复充放电容量会有上升倾向，但是根据检测中心给的测定值，即使重复充放电循环，充放电容量也没有变化，因此可以推断化成过程及材料并没有问题。

3）关于测试中心的检测数据，实验工艺电池的放电容量高的原因是：

A、本来容量高的电池，因为装置的偏差及电池温度的问题，导致在现场分容装置上测定出的容量较低而已（充放电次数增加会影响电池的容量，因此实验工艺分容的电池放电容量会较正常条件的高）。

B、因为实验条件从放电开始，电池复原，可抵消一些因分容偏差导致极片状态的偏差等。

3、再现试验和扩大试验

因为将电池送去检测中心定容的结果显示实验工艺的电池容量高，与产线分容柜的结果相悖。关于这个结果，考虑到温度的影响，分容柜都是分层的，尤其是在夏天，往往会在车间顶部和周边配置出风口降温，但偏中间的分容柜的温度相对就会高一些，因此分析了容量测定时的电池温度。

如下图表所示：

分析结果如图表所示，正常工艺的不同电池温度较高且变化基本相同，而实验工艺的电池温度也很高，并且偏差也很大。根据这个结果，可以推测实验工艺的电池容量变高。

将放电完成时的电池温度与放电容量的关系制成图表：

蓝色的点表示正常工艺，红色的点表示实验工艺的数据。根据这个数据，可以初步知道放电完成时的电池温度高，电池容量高。分析了温度与放电容量的线性相关关系，相关系数R2为0.6、并没有很强的相关性。用图表表示这种关联状况，发现并不能说明单纯因为温度高低变化就导致容量增加。为了排除电池本身特性等偶然因素，进行了再现实验。且为了排除温度的影响，我们决定使用恒温设备进行容量测定，经过相应的工序后，最终得到的电池拆解界面分析如下：

正常条件拆解极片：

实验条件拆解极片：

电池拆解的结果，没有发现极片存在很大的差异，但存在实验工艺的电池锂离子析出状况较多的情况。因为实验工艺的充电次数较少，所以并不认为这是产生锂离子析出的原因。推测是化成状态的差异，故而对化成工艺进行了进一步的优化，即确保SEI膜成膜激活电池，又尽可能的降低化成的SOC，相较于正常工艺，将化成充电倍率和截止电压进行了一个调整后再次进行分容验证。

拆解出来的电极照片如下所示：

正常工艺1极片拆解：

出现了少量未充电区域。

正常工艺2极片拆解：

出现了较多的未充电区域。

实验工艺1极片拆解：

出现了少量未充电区域。

实验工艺2极片拆解：

出现了少量未充电区域。

正常分容工艺与实验分容工艺并不存在很大的差异，但是调整后的化成工艺标准，无论正常工艺还是实验工艺，未充电区域都有增加的趋势，且都有少量的析锂现象，故而化成工艺还需进一步优化。

• Case 4

对化成工艺进行优化，并减少析锂的发生，进一步探索析锂电压，优化化成工艺。首先为了进一步明确不同SOC下极片状态，做了一系列SOC下的化成测试，分别对电芯充到6.7%SOC、13.8%SOC、25.7%SOC、53%SOC、70.8%SOC、81.1%SOC，然后把电池取下来进行极片拆解分析，设定如下：

进一步的，对不同SOC下电池进行拆解，得到极片状态如下：

实验１　OCV＝3.087V　SOC=6.7%

能够看到极片中央部有轻微纹路。极片没有变色，几乎无变化。

实验2　OCV＝3.376V　SOC=13.9%

能够看到电极中央部的纹路，稍微有些变色。

实验3　OCV＝3.483V　SOC=26.2%

图片可能有些不清晰，实际上极片稍微变成了蓝色。随着反应进一步，气体的产生会让极片褶皱更多。

实验4　OCV＝3.625V　SOC=53.9%

变成蓝色，接近墨蓝色，能够看出气泡以及一些纹路，一般充到后面相应的产气越多，气泡也就越多。

实验5　OCV＝3.685V　SOC=70.0%

变成了暗紫偏红的颜色，能够看到黑色未充电区域。没有发现锂离子析出，此时极片充电不充分情况下是这种状态，仔细观察其他极片你会发现，在高SOC情况、甚至满电的情况，极片两端的顶部和底部都会有一段的这个暗紫偏红，边缘部分锂离子往往嵌入相对困难一些。

实验6　OCV＝3.778V　SOC=81.5%

大部分变成金色，能看到较多黑色未充电区域。能够看到白色的析锂现象，实际上，在这个SOC状态下，如果不进行抽负压，或者前面的电解液注入量不足、极片卷绕情况不佳的话，这里的极片状况往往不会很好，但也有很多时候极片会出现金光闪闪的情况，这时候不代表极片状态非常好，也有可能是负极涂覆量不足（NP比不到位）。

根据以上结果，SOC＜50%的阶段......