Влияние внешнего напряжения на срок службы аккумуляторной батареи
Процесс цикла зарядки-разрядки литий-ионных аккумуляторов представляет собой сложный процесс физических и химических реакций, и существует множество факторов, влияющих на срок службы. С одной стороны, это связано с характеристиками самой батареи, такими как характеристики материала, конструкция электрода и процесс производства батареи; с другой стороны, это также связано с внешним воздействием батареи во время использования. Эта статья в основном посвящена поиску наиболее подходящих условий для срока службы батареи в зависимости от изменения внешнего давления, что может дать определенные рекомендации по использованию батарей и пресс-форм.
1. Экспериментальное оборудование и методы испытаний
1.1 Экспериментальное оборудование: Анализатор набухания на месте, модель SWE2110 (ИЭСТ ), как показано на следующем рисунке.
Внешний вид оборудования SWE2110
1.2 Информация об испытаниях и процесс
1.2.1 Информация о ячейке показана в таблице 1.
Таблица 1. Информация о тестовой ячейке
1.2.2 Процесс зарядки и разрядки
1.2.3 Экспериментальная процедура
Тест на набухание по толщине элемента: поместите тестируемую батарею в соответствующий канал SWE2110 , откройте программное обеспечение СКУЧАТЬ , установите различное испытательное давление, частоту выборки, процесс зарядки и разрядки и т. д., программное обеспечение автоматически считывает толщину элемента, изменение толщины , тестовая температура, ток, напряжение, емкость и другие данные.
2. Экспериментальные результаты и анализ
Анализатор набухания на месте (SWE2110 ) включает режим постоянного давления, и давление устанавливается на 5,0 кг, 10 кг, 25 кг, 50 кг, 100 кг, 200 кг, и после удержания давления в течение 1 часа заряжает и разряжает аккумуляторную батарею. , и контролировать изменение толщины всего процесса на месте. Как показано на рисунке 2, в течение всего цикла из-за фазового перехода положительных и отрицательных материалов для интеркаляции и деинтеркаляции лития общий элемент батареи имеет тенденцию к расширению заряда и сжатию разряда. Это в основном связано с реципрокным и обратимым изменением объема кремний-углеродного отрицательного электрода, который расширяется после интеркалирования лития и восстанавливает объем после делитирования.
При разных давлениях толщина ячейки разная. По мере увеличения внешнего давления максимальная толщина ячейки постепенно уменьшается. Внешнее давление увеличивает относительную плотность и площадь контакта между активным материалом и сепаратором, что не только минимизирует межфазное сопротивление, но и может обеспечить равномерное распределение тока при зарядке и разрядке, поэтому степень затухания срока службы элемента при различных давлениях также отличается. При одном и том же давлении максимальное расширение каждого цикла элемента непрерывно увеличивается с количеством циклов, что указывает на необратимое расширение элемента во время процесса зарядки и разрядки, и поскольку число циклов продолжает увеличиваться,
На рис. 3 показано изменение толщины необратимого расширения с давлением: при увеличении давления необратимое расширение заряда и разряда батареи имеет определенное изменение, то есть соответствующее давление помогает подавить необратимое расширение. В процессе переключения давления необратимое расширение имеет точку внезапного изменения, а по мере увеличения давления резкое изменение становится более очевидным, что может быть связано с разницей во времени, необходимом для достижения стабильным состоянием батареи при изменении давления. выключатель. Толщина необратимого расширения представляет собой образование остаточных пластических деформаций и трещин в процессе литирования/делитирования, в основном включающее структурное изменение материала анода, фрагментацию и растворение активного материала,
Поскольку в этом эксперименте используется кремний-углеродный анод, а ток заряда и разряда составляет всего 0,5 °С, необратимое расширение в этом эксперименте в основном вызвано растрескиванием материала анода и рекомбинацией пленки СЭИ . По мере циклирования эти побочные реакции и затухание накапливаются, что приводит к необратимому увеличению толщины клетки.
Рис. 2. Кривая изменения толщины ячейки при различных циклах давления
Рис. 3. Кривая необратимого изменения толщины ячейки
Надлежащее внешнее напряжение может увеличить межфазный контакт, уменьшить потерю активного лития во время циклирования и замедлить снижение емкости батареи.&NBSP ;&NBSP ;В то же время положительный и отрицательный электроды и сепараторы литий-ионных аккумуляторов представляют собой пористые структуры. По мере увеличения давления такие параметры, как пористость и извилистость электродов и сепараторов, будут соответственно изменяться, влияя на диффузию Ли +, что приводит к снижению емкости [1]. Давление влияет на электрическое контактное сопротивление, пористость и эффективную площадь поверхности электродов, а также на морфологию сепаратора. Следовательно, внешнее сжатие элемента может повлиять на электрохимические характеристики, включая срок службы.
Извлеките разрядную емкость ячейки при разных числах циклов в каждой точке давления и выполните для нее линейную аппроксимацию, результаты показаны на рисунке 4: с увеличением давления наклон кривой линейной аппроксимации емкости ячейки сначала увеличивается. а затем снижается, то есть скорость убывания разрядной емкости имеет тенденцию сначала к уменьшению, а затем к увеличению.&NBSP ;&NBSP ;Влияние механического напряжения на аккумуляторы изучалось несколько раз, и очевидно, что оно оказало значительное влияние на рабочие характеристики аккумуляторов. Приложение некоторого давления к ячейке помогает уменьшить необратимое расширение и сохранить производительность ячейки для анодов на основе графита и кремния. Однако применение слишком высокой нагрузки на ячейку может отрицательно сказаться на сохранении емкости.
Исследования показали, что измеренная исходная толщина батареи примерно на 5-15% выше теоретической толщины, и эта разница в основном связана с набуханием связующего и сепаратора, вызванным заливкой электролита, образованием газа и пустотами на границе раздела электродов. . Внешнее давление может уменьшить межфазные пустоты электродов и увеличить площадь контакта.&NBSP ;&NBSP ;Следовательно, батарея будет сжиматься под небольшим давлением, а ее толщина будет уменьшаться, тем самым уменьшая контактное сопротивление и улучшая характеристики цикла батареи. Когда давление продолжает расти, пористость и извилистость электрода и сепаратора изменятся и повлияют на диффузию Ли +, что приведет к более быстрому снижению емкости. Затухание емкости ячейки является наименьшим при внешнем напряжении 50 кг ~ 100 кг, то есть это давление является лучшим внешним давлением для ячейки.
Рисунок 4. Кривая затухания каждой емкости по давлению элемента батареи.
3. Экспериментальное оборудование и методы испытаний
В этой статье анализатор набухания в -место (Швеция ) ИЭСТ использовался для исследования оптимальных условий внешнего стресса цикла клеток системы LCO / Сик .&NBSP ;&NBSP ;Когда ячейка подвергается длительному циклу при внешнем напряжении 50~100 кг, ее затухание емкости и необратимое расширение цикла являются наименьшими, что также дает соответствующему техническому персоналу идею улучшить цикл элементов системы на основе кремния, и дальнейшее расширение практического применения систем на основе кремния.
4. Справочные материалы
[1] А. С. Мусса,М. Клетт,Г. Линдберг и Р.В. Линдстром, Влияние внешнего давления на производительность и старение однослойных литий-ионных карманных элементов. Дж. Источники питания 385 (2018) 18-26.&NBSP ;
[2] диджей Ли , DL Данилов , J. Се , L. Райммейкерс , L. Гао , Y. Ян и ПХЛ Ноттен , Механизмы деградации батарей C6/LiFePO4 : экспериментальный анализ календарного старения. электрохим. Акта 190 (2016) 1124-1133.&NBSP ;