Inverkan av extern stress på battericellens livslängd
Laddnings-urladdningscykelprocessen för litiumjonbatterier är en komplex fysikalisk och kemisk reaktionsprocess, och det finns många faktorer som påverkar cykelns livslängd. Å ena sidan är det relaterat till egenskaperna hos själva batteriet, såsom materialegenskaper, elektroddesign och batteritillverkningsprocess; å andra sidan är det också relaterat till batteriets yttre påverkan under användning. Denna artikel är främst för att hitta de mest lämpliga förutsättningarna för battericykelns livslängd från att ändra det yttre trycket, vilket kan ge viss vägledning för användning av batterier och mögel PACK.
1. Experimentell utrustning och testmetoder
1.1 Experimentell utrustning: In-situ svällanalysator, modell SWE2110 (IEST), som visas i följande figur.
SWE2110 Utrustning Utseende
1.2 Testinformation och process
1.2.1 Cellinformationen visas i Tabell 1.
Tabell 1. Testcellsinformation
1.2.2 Laddnings- och urladdningsprocess
1.2.3 Experimentell procedur
Svällningstest av celltjocklek: Sätt batteriet som ska testas i motsvarande kanal på SWE2110, öppna MISS-programvaran, ställ in olika testtryck, provtagningsfrekvens, laddnings- och urladdningsprocess, etc., programvaran kommer automatiskt att läsa av celltjockleken, tjockleksvariationen , testtemperatur, ström, spänning, kapacitet och andra data.
2. Experimentella resultat och analys
In-situ svällanalysatorn (SWE2110) aktiverar konstanttrycksläget och trycket ställs in på 5,0 kg, 10 kg, 25 kg, 50 kg, 100 kg, 200 kg, och efter att ha hållit trycket i 1 timme, ladda och ladda ur battericellen och övervaka tjockleksförändringen i hela processen på plats. Som visas i figur 2, under hela cykeln, på grund av fasövergången av de positiva och negativa materialen för interkalering och deinterkalering av litium, uppvisar den totala battericellen en tendens till laddningsexpansion och urladdningssammandragning. Detta beror främst på den reciproka och reversibla volymförändringen av den negativa kisel-kolelektroden, som expanderar efter interkalering av litium och återställer volymen efter delithiering.
Under olika tryck är tjockleken på cellen olika. När det yttre trycket ökar, minskar cellens maximala tjocklek gradvis. Externt tryck ökar den relativa densiteten och kontaktytan mellan det aktiva materialet och separatorn, vilket inte bara minimerar gränsytresistansen, det kan också säkerställa enhetlig strömfördelning under laddning och urladdning, så graden av dämpning av cellcykelns livslängd under olika tryck är också annorlunda. Under samma tryck ökar den maximala expansionen av varje cykel av cellen kontinuerligt med antalet cykler, vilket indikerar att det finns en irreversibel expansion av cellen under laddnings- och urladdningsprocessen, och när antalet cykler fortsätter att öka,
Figur 3 visar förändringen av irreversibel expansionstjocklek med tryck: när trycket ökar, har den irreversibla expansionen av batteriladdningen och urladdningen en viss förändring, det vill säga att det lämpliga trycket hjälper till att undertrycka den irreversibla expansionen. Under tryckväxlingsprocessen har den irreversibla expansionen en plötslig förändringspunkt, och när trycket ökar är den plötsliga förändringen mer uppenbar, vilket kan vara relaterat till skillnaden i den tid som krävs för att batteriet ska nå ett stabilt tillstånd med trycket växla. Den irreversibla expansionstjockleken är bildandet av permanent plastisk deformation och sprickor i processen med lithiation/delithiation, huvudsakligen inklusive den strukturella förändringen av anodmaterialet, fragmenteringen och upplösningen av det aktiva materialet,
Eftersom detta experiment använder en kisel-kolanod, och laddnings- och urladdningsströmmen endast är 0,5C, orsakas den irreversibla expansionen i detta experiment huvudsakligen av sprickbildning av anodmaterialet och rekombinationen av SEI-filmen. När cyklingen fortskrider ackumuleras dessa sidoreaktioner och dämpning, vilket resulterar i en irreversibel ökning av cellens tjocklek.
Figur 2. Tjockleksförändringskurvan för cellen under olika tryckcykler
Figur 3. Irreversibel tjockleksvariationskurva för cellen
Korrekt extern påfrestning kan öka gränssnittskontakten, minska förlusten av aktivt litium under cykling och bromsa nedtoningen av batterikapaciteten. Samtidigt är de positiva och negativa elektroderna och separatorerna för litiumjonbatterier alla porösa strukturer. När trycket ökar kommer parametrarna såsom porositeten och slingrningen hos elektroderna och separatorerna att ändras i enlighet med detta, vilket påverkar diffusionen av Li+, vilket resulterar i kapacitetsminskning [1]. Trycket påverkar elektrodernas elektriska kontaktresistans, porositet och effektiva ytarea, såväl som separatorns morfologi. Därför kan extern kompression på cellen påverka elektrokemisk prestanda, inklusive cykellivslängd.
Extrahera urladdningskapaciteten för cellen under olika cykelnummer vid varje tryckpunkt och utför linjär anpassning på den, resultaten visas i figur 4: med ökningen av trycket ökar lutningen på den linjära anpassningskurvan för cellens kapacitet först och sedan minskar, det vill säga att urladdningskapaciteten avtar en trend att först minska och sedan öka. Effekten av mekanisk stress på batterier har studerats ett antal gånger och har helt klart haft en betydande inverkan på batteriets prestanda. Att applicera lite tryck på cellen hjälper till att minska irreversibel expansion och bibehålla cellprestanda för grafit- och kiselbaserade anoder. Att applicera för hög belastning på cellen kan dock påverka kapacitetsbevarandet negativt.
Studier har visat att den uppmätta initiala batteritjockleken är cirka 5-15 % högre än den teoretiska tjockleken, och denna skillnad beror främst på svällningen av bindemedlet och separatorn orsakad av elektrolytfyllning, bildning av gas och hålrum vid elektrodgränssnittet . Externt tryck kan minska elektrodernas hålrum i gränsytan och öka kontaktytan. Därför kommer batteriet att komprimeras under ett litet tryck, och tjockleken kommer att minska, vilket minskar kontaktmotståndet och förbättrar battericykelns prestanda. När trycket fortsätter att öka kommer elektrodens och separatorns porositet och tortuositet att förändras och påverka Li+-diffusionen, vilket resulterar i snabbare kapacitetsnedgång. Cellens kapacitetsdämpning är den minsta under den yttre påfrestningen på 50 kg ~ 100 kg, det vill säga detta tryck är det bästa yttre trycket för cellen.
Figur 4. Avklingningskurvan för varje tryckkapacitet i battericellen
3. Experimentell utrustning och testmetoder
I detta dokument användes in-situ svällningsanalysatorn (SWE) från IEST för att utforska de optimala yttre spänningsförhållandena för cykeln för LCO/Sic-systemceller. När cellen utsätts för en lång cykel under den yttre påfrestningen på 50 kg~100 kg, är dess kapacitetsdämpning och irreversibla cykelutvidgning de minsta, vilket också ger relevant teknisk personal en idé om att förbättra cykeln för kiselbaserade systemceller, och ytterligare förbättra den praktiska tillämpningen av kiselbaserade system.
4. Referensmaterial
[1] AS Mussa,M. Klett,G. Lindbergh och RW Lindstrom, Effekter av externt tryck på prestanda och åldrande av enskiktiga litiumjonceller. J. Power Sources 385 (2018) 18-26.
[2] DJ Li, DL Danilov, J. Xie, L. Raijmakers, L. Gao, Y. Yang och PHL Notten, Degradation Mechanisms of C6/LiFePO4 Batteries: Experimental Analyses of Calendar Aging. elektrochem. Acta 190 (2016) 1124-1133.