Влияние различных пределов жесткости (линейный режим) на производительность ячейки

В процессе заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов материалы положительного и отрицательного электродов продолжают деинтеркалировать литий, что приводит к изменению объема частиц, сопровождающемуся изменением толщины элементов аккумулятора, в то же время со старением элемент батареи, толщина элемента батареи также будет увеличиваться вместе с утолщением пленки СЭИ, образованием газа и осаждением лития. Если элемент батареи находится в фиксированном пространстве (сценарий практического применения), на внешней стенке пространства будет создаваться определенная сила (сила набухания), и эта сила набухания повлияет на цикличность и безопасность элемента батареи. Как правило, компоненты, ограничивающие пространство элементов батареи, имеют определенную степень жесткости, и они также будут подвергаться определенным деформациям. таких как корпус аккумуляторной батареи или крепления модуля. Возьмите пружину в качестве примера, чтобы проиллюстрировать концепцию жесткости. Жесткость K пружины определяется как отношение силы пружины F к ее деформации δ, то есть K=F/δ. Обычно считается, что жесткость k является постоянной величиной, предполагая, что оболочка блока батарей представляет собой металлическую пластину, а батарея ограничена фиксированным пространством. Толщина металлической пластины H, модуль упругости E и площадь металлической пластины A. Если необходимая сила равна F при деформации δ, то: Обычно считается, что жесткость k является постоянной величиной, предполагая, что оболочка блока батарей представляет собой металлическую пластину, а батарея ограничена фиксированным пространством. Толщина металлической пластины H, модуль упругости E и площадь металлической пластины A. Если необходимая сила равна F при деформации δ, то: Обычно считается, что жесткость k является постоянной величиной, предполагая, что оболочка блока батарей представляет собой металлическую пластину, а батарея ограничена фиксированным пространством. Толщина металлической пластины H, модуль упругости E и площадь металлической пластины A. Если необходимая сила равна F при деформации δ, то:

Деформация металлической пластины: ε=δ/H.

Напряжение металлической пластины: σ=Eε=Eδ/H.

Сила, приложенная к металлической пластине, равна: F = Aσ = AEδ / H.

Тогда жесткость металлической пластины равна: K=F/δ=АЕ/H.

Следовательно, величина жесткости зависит от геометрии детали или конструктивного элемента (например, от толщины Н и площади А металлической пластины) и типа материала (т. е. модуля упругости Е материала).

Анализатор набухания на месте (Швеция), запущенный ИЭСТ, имеет режимы испытаний с постоянным давлением и постоянным зазором, которые могут отслеживать изменение толщины ячейки при постоянном давлении или отслеживать изменение давления при ограниченном постоянном зазоре смещения. Эти два режима могут эффективно обнаруживать процесс вздутия батареи, но не учитывают деформацию самой конструкции в реальном сценарии применения. Таким образом, с точки зрения быстрого моделирования влияния различных степеней удержания на производительность батареи, ИЭСТ на местеприпухлостьанализатор (Швеция) ввел новый режим управления (линейныйприпухлостьрежим): Регулируя значение линейности K (отношение давления к толщине) размер, реализовать моделирование ограничений границ различной жесткости на ячейке и в то же время контролировать давление, толщину, электрические свойства и другие параметры на месте. . В этой статье были выбраны два эксперимента с разными значениями K и режимом постоянного зазора, а также были сравнены и проанализированы различия во влиянии этих трех факторов на срок службы батареи.

1 Информация о тестировании

1.1 Испытательное оборудование

На местеприпухлостьАнализатор модели SWE2110 (ИЭСТ) может работать в диапазоне давлений 50~10000 Н и может контролировать температуру от -20℃ до 80℃. На рис. 1 показан внешний вид устройства.

Рисунок 1. Схематическая диаграмма анализатора набухания на месте.

1.2 Параметры тестирования

1.2.1 Информация об аккумуляторе приведена в таблице 1.

1.2.2 Процесс зарядки и разрядки: 10 мин при 25°C; зарядка от 1,0С до 4,2В, продолжение зарядки при постоянном напряжении после достижения напряжения отсечки, ток отсечки 0,05С; отложите на 10 минут, разрядите при 1,0°C, предельном напряжении 3,0 В и одновременно запустите анализатор набухания на месте, программное обеспечение автоматически считывает данные, такие как толщина набухания клеток, сила расширения, ток, напряжение и емкость.

1.2.3 Объяснение режима линейного набухания: значение K указано в кг/мм, а значения настройки в этом эксперименте равны 500 кг/мм и 2000 кг/мм, чтобы имитироватьприпухлостьпроцесс батареи в сцене ограниченных в пространстве элементов конструкции батареи с различной геометрической формой и модулями упругости; Регулирование значения К возможно только в процессе зарядки и разрядки аккумулятора. Режим постоянного давления или режим постоянного зазора можно установить во время процесса хранения ядра батареи. В этом эксперименте начальный порог режима линейного набухания заключается в том, что изменение толщины превышает 3 мкм, а изменение давления превышает 0,5 кг, а режим постоянного зазора устанавливается во время процесса хранения аккумуляторных элементов.

2. Анализ результатов

Выберите три параллельные ячейки, запустите систему анализа набухания на месте, выберите соответствующий режим испытаний (постоянный зазор, линейный режим), установите начальную силу предварительной нагрузки 100 кг и синхронно проверьте параметры толщины, давления и электрических характеристик в режиме реального времени. эксперимент был остановлен при достижении 80% начальной мощности. Как показано на рисунке 2: пространство для вздутия батареи ограничено в режиме постоянного зазора, а зазор регулируется в диапазоне ± 1 мкм, а сила вздутия постоянно увеличивается с циклом; Режим линейного набухания имитирует наличие определенной жесткости в конструктивных элементах, которые ограничивают пространство батареи (например, разная толщина и материал металлической пластины), сила набухания и толщина набухания изменяются в реальном времени в процессе цикла, который ближе к реальной сцене приложения. Кроме того, при изменении коэффициента линейного набухания (значение K) сила набухания и толщина набухания изменяются в разной степени. Когда K = 2000, это означает, что жесткость конструктивной части велика, то есть модуль упругости велик при той же геометрии, а деформация самой конструктивной части меньше, поэтому давление выше при расширении батареи. . Когда К=500, это означает, что жесткость конструктивной части меньше, то есть модуль упругости мал, а деформация самой конструктивной части больше. Следовательно, когда батарея расширяется, изменение толщины будет больше, а давление меньше. В то же время было обнаружено, что разные значения К по-разному реагировали на управление оборудованием.

Рис. 2. Тенденция изменения давления и толщины в двух режимах испытаний

В линейном режиме (K500) выбираются первые 5 циклов и анализируется взаимосвязь между напряжением, давлением, толщиной и значением K с течением времени, как показано на рис. 3. По мере заряда и разряда давление и толщина элемента периодически изменяются. , а давление и толщина линейны. Это показывает, что можно смоделироватьприпухлостьи процесс сжатия батареи в реальной сцене стесненного элемента конструкции со значением жесткости K=500.

Рисунок 3. Кривые изменения напряжения, давления, толщины и значения K (первые 5 циклов)

Если ячейкаприпухлостьтолщина и сила набухания связаны со скоростью сохранения емкости, извлекаются максимальные изменения давления и толщины в течение каждого цикла, как показано на рисунке 4 (сплошная линия — скорость сохранения емкости, пунктирная линия — давление и толщина): возраст, максимумприпухлостьсила клетки в линейномприпухлостьрежим показывает убывающую тенденцию в целом и максимальнуюприпухлостьтолщина имеет тенденцию к увеличению; припухлостьсила ячейки в режиме постоянного зазора показывает тенденцию к увеличению, априпухлостьзначение силы является наибольшим среди трех режимов. Увеличение внешнего давления ячейки увеличит относительную плотность и площадь контакта между активным материалом и диафрагмой, а также уменьшит сопротивление поверхности раздела и некоторые побочные реакции на границе раздела. В то же время параметры электрода, такие как размер пор и пористость электрода, также будут изменены, чтобы повлиять на пропускную способность ионов ячейки во время зарядки и разрядки. В линейном режиме (К500) и режиме постоянного зазора кривая сохранения мощности имеет"точка перегиба", и эта часть механизма нуждается в дальнейшем анализе и проверке, чтобы коррелировать с внешним давлением.

Рисунок 4. (a) Кривая сохранения емкости и максимальной силы набухания (b) Сохранение емкости и максимальная силаприпухлостькривая изменения толщины

Если мы дополнительно проанализируем цикл первого витка (БОЛ) и цикл последнего витка (EOL) каждого режима, как показано на рисунке 5: Максимальноеприпухлостьусилие EOL в линейном режиме меньше, чем у БОЛ, но при постоянном зазоре верно обратное, что показывает, что различные методы управления имеют большое влияние на максимальноеприпухлостьсила. Кроме того, разница между максимальнымприпухлостьТолщину EOL и начальную толщину БОЛ также можно сравнить, чтобы соотнести с выбором толщины прокладочного хлопка в модуле ПАКЕТ, чтобы гарантировать, что модуль имеет соответствующую механическую прочность на протяжении всего жизненного цикла.

Рисунок 5. Три режима кривых силы набухания клеток БОЛ и EOL и толщины набухания (сплошная линия — толщина, пунктирная линия — давление)

3. Резюме

В этой статье линейный режим в-местоприпухлостьанализатор (SWE2110) используется для моделирования связывания материалов с различной жесткостью с ячейкой и для отслеживания изменений толщины набухания иприпухлостьсилы на протяжении всего жизненного цикла, приближают экспериментальные результаты к реальным условиям работы и помогают проектировщикам разрабатывать более подходящие решения.

4. Ссылки

[1] Лян Хаобинь, Ду Цзяньхуа, Хао Синь и др. Исследовательский статус механизма расширения литиевой батареи [J]. Наука и технология накопления энергии, 2021. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0358.

[2] Вуенш М., Кауфман Дж., Зауэр Д.Ю. Исследование влияния различных креплений автомобильных ячеек на циклический срок службы и спектр импеданса [J]. Журнал накопления энергии, 2018, 21 (февраль): 149-155 .DOI: 10.1016/j.стандартное восточное время.2018.11.019.

[3] Чжан Цзюнь, Цзэн Юньлу, Цзоу Шуньчжан и др. Исследование расширения и срока службы литиевых батарей Мягкий Пакет при соответствующем давлении [J]. Технология электропитания, 2019, 43(10):4.DOI:ЦНКИ:СОЛНЦЕ:ДЮЙС.0.2019-10-020.