Analys av sambandet mellan svällningsprestanda hos individuella battericeller och modulbattericeller
Med den snabba utvecklingen av den nya energiindustrin har litiumjondrivna fordon använts i stor utsträckning, och säkerhetsprestandan hos litiumjonbatterier har blivit allt viktigare. Under den långvariga laddnings- och urladdningscykeln för en modul som består av individuella battericeller kopplade i serie eller parallellt, kommer cellerna att uppleva en viss grad av svullnad på grund av litiumextraktion och gasgenerering, vilket kommer att påverka modulhöljets strukturella styrka . I ett batteripaket eller ett fordonssystem, omsvullnadkraften hos ett enskilt batteri är för stor, kan det spränga ytterhöljet och orsaka en säkerhetsrisk. Därför övervakning avsvullnadprestanda krävs vid långvariga cykeltester av batterier. Eftersom battericeller kombineras till batterimoduler i olika kvantiteter och olika serieparallella konfigurationer, och förspänningskraften hos olika designade moduler också kommer att variera, är det nödvändigt att genomföra experiment på flera faktorer som påverkarsvullnadprestanda för att preliminärt utforskasvullnadvariationslag för battericeller-moduler, kombinerat med simulering och modellering, vilket kan hjälpa till att designa modulerna bättre. Detta experiment ger grundläggande data för förutsägelse och simulering av batterimodulsvullnadkraft genom att jämförasvullnadtjocklek ochsvullnadkraftkorrelation av enkelcell och multicell under laddning och urladdning.
Figur 1. Schematiskt diagram av en cell och modul
1. Experimentell utrustning och testmetoder
1.1 Experimentell utrustning: In-situ svällanalysator, modell SWE2110 (IEST), utrustningens utseende visas i figur 2.
Figur 2. Utseende på SWE2110-utrustning
1.2 Testprocedur
1.2.1 Cellinformationen visas i Tabell 1
Tabell 1. Testcellsinformation
1.2.2 Laddnings-urladdningsprocess: 25°C Vila 60 min; 0,5C CC till 4,35V, CV till 0,05C; vila 30 min; 1.0C DC till 3.0V.
1.3 Svällningstest för celltjocklek: Placera cellen som ska testas i enhetens motsvarande kanal, öppna MISS-programvaran, ställ in cellnummer och samplingsfrekvensparametrar som motsvarar varje kanal, och programvaran kommer automatiskt att läsa av celltjockleken, tjockleksvariationen , testtemperatur, ström, spänning, kapacitet och andra data.
2. Experimentell process och dataanalys
Såsom visas i figur 3 finns det i allmänhet tre lägen för cell- och modulsvällningstest: (a) mätning av fri svällning utan några begränsningar: (b) mätning av battericellsvällning med konstant förbelastning; (c) konstant gap Mätningen av battericellens svällning.
Kraftanalysen av de tre situationerna under balanserade förhållanden visas i figur 3. I det första fallet begränsar det yttre skaletsvullnadav den inre kärnan är kraften på det yttre skalet och kärnan balanserad, och den yttre kraften är noll; I båda fallen appliceras en extern förspänningsbelastning (F0) på cellen, vilket orsakar en initial förskjutning av cellhöljet (s0 och s0,c i figur 3b), och fassidans bindningsplattor ökar riktningen vinkelrätt mot elektroder Den ekvivalenta styvheten KS ovan, föråtdragningskraften F0 under jämviktsförhållanden (samma som kraften Fs för den bundna versionen på båda sidor) är lika med summan av krafterna på lindningskärnan och batterihöljet; i det tredje fallet, när man mäter gapet konstant, eftersom gapet Under fasta förhållanden, densvullnadav lindningskärnan och batterihöljet när batteriet expanderar skiljer sig också från det under fria förhållanden.
Kort sagt, eftersom modulen är en kombination av flera batterier, kommer plastpackningen mellan batterihöljet och batteriet att krympa och expandera under stressprocessen. Tjockleken och kraften som testas är desvullnadoch sammandragning av litiuminterkalering och desorption av elektroder ochsvullnadoch sammandragning av andra komponenter är det kombinerade resultatet. I det här dokumentet används testlägena för konstant tryck och konstant gap för att studera korrelationen mellan monomeren och modulen.
Figur 3 Tre lägen för svällningstest av cell och modulenhet.
2.1 Utforskning av korrelationen mellan svällningstjockleken hos monomeren och modulen
Som visas i figur 4, för att simulera mellanskiktet mellan de enskilda cellerna, klistrades en vit PET-film på cellerna före testning. Superpositionstestmetoden för celler visas i figur 5. Slå på in-situ svällanalysatorn (SWE2110), ställ in 200 kg konstanttrycksläge, laddning och urladdning parallellt och testa svälltjockleksförändringarna för enskilda celler och staplade celler in situ, som visas i figur 6: den heldragna linjen är den elektriska. Den faktiska svällningskurvan för kärnan, den prickade linjen är den anpassade superpositionskurvan (aritmetisk summa). Från resultaten visar både den enstaka cellen och den staplade cellen fenomenet laddningssvällning och urladdningssammandragning, vilket huvudsakligen beror på den strukturella svallningen och sammandragningen av grafit och ternära material som orsakas av litiumdeinterkaleringsprocessen.
Figur 4. Schematiskt diagram av batteri med PET-film
Figur 5. Schematiskt diagram över cellsuperposition
Figur 6. Variationskurvor för svällningstjockleken för varje battericell och efter överlagring
2.2 Utforskning av förhållandet mellan svällkraften hos monomeren och modulen
Ställ in konstant gap-läge, ladda och urladdning parallellt och testasvullnadkraftförändringar av den enskilda cellen och den staplade cellen under laddning och urladdning på plats, som visas i figur 7. Från resultaten, när antalet staplade celler i modulen ökar, fortsätter modulens totala svällkraft att ökning, men det absoluta värdet av svällkraften hos modulcellen har inget multipelsamband med svällkraften hos den enskilda cellen. Den är mindre än summan av svällkrafterna för flera enstaka celler, och ju fler celler staplas desto större är skillnaden i absolut värde. Detta kan vara gränsvillkoret för att kontrollera det konstanta gapet, vilket gör att cellerna i modulen. Battericellens tillstånd skiljer sig från det för en enskild battericell när den laddas och laddas ur, vilket påverkar den elektrokemiska prestandan, och orsaken till skillnaden måste undersökas ytterligare. Kapaciteten för de enstaka cellerna före gruppering och kapaciteten för enstaka celler efter gruppering kan tas i beaktande och jämföras samtidigt. Trycket efter stapling ökar inte linjärt, vilket kan bero på att det överlagrade trycket från cellerna efter stapling når ett kritiskt värde. Att komprimera utrymmet mellan polstycken eller ännu mer mikroskopiska dimensioner kommer definitivt att återspeglas i batteriets prestanda!
Figur 7. Variationskurva försvullnadkraften hos varje battericell och superposition
Av ovanstående resultat är modulen eller PACKET fast installerat i batteripaketets hölje, och packningarna mellan de enskilda cellerna kommer att ha en relativt stor inverkan på den totala kraften ochsvullnadav modulen. Utmärkt batterimoduldesign kan eliminerasvullnadav enstaka celler. Nyligen integrerade Kirin-batteriet som lanserades av CATL användningsbehoven, kombinerar de horisontella och vertikala balkarna, vattenkylda plattorna och värmeisoleringskuddarna i ett och integrerar dem i ett multifunktionellt elastiskt mellanskikt. En mikrobrygganslutningsanordning är inbyggd i mellanskiktet, som flexibelt kan samarbeta med andningen av batterikärnan för att expandera och dra ihop sig fritt och förbättra tillförlitligheten för batterilivscykeln.
Figur 8. Multifunktionellt elastiskt mellanskikt av Kirin-batteri i CATL
3. Sammanfattning
I detta dokument används in-situ svällanalysatorn (SWE) för att analysera svällningstjockleken och svällkraften hos samma systemcell och olika antal modulceller under laddnings- och urladdningsprocessen. Det har visat sig att modulcellernas svällningstjocklek under konstanttrycksläge. Förändringstrenden kan anpassas av den encelliga aritmetiska summan, men den enkla aritmetiska anpassningsmetoden är inte tillfredsställande i läget med konstant gap, vilket skiljer sig från kraften av den enskilda cellen i mätläget för de två gränsvillkoren. Nästa steg Du kan fortsätta att utforska kraftmodellen under olika testlägen och analysera svällningsprocessen för elektroden mer i detalj.
Referenslitteratur
1.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao och Kai Wu. Svällningskraft i litiumjonbatterier,I. Eng.Chem. Res,2020, 59, 27, 12313–12318.
2.Åh KY, Epureanu BI, Siegel JB, et al. Fenomenologiska kraft- och svällningsmodeller för uppladdningsbara litiumjonbattericeller[J]. Journal of Power Sources, 2016, 310(Apr.1):118-129.
3.Martin Wunscha, Kaufmana, Dirk Uwe Sauer. Undersökning av inverkan av olika stag av fordonspåsceller på cyklisk livslängd och impedansspektra. Journal of Energy Storage 21 (2019) 149–155.
4. Qiu Shitao, Chen Chaohai, Jiang Jibing. Effekt av skumprestanda på batterimodulens expansionskraft. Guangdong Chemical Industry, 2020, 47(22): 1-3d