Анализ набухания и изменения температуры призматических аккумуляторных элементов ЛФП на месте

В процессе зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов с непрерывным внедрением и извлечением литий-иона напряжение внутри аккумулятора будет увеличиваться и уменьшаться. Если необратимое напряжение накапливается до определенной степени, это приведет к разрушению частиц или осаждению лития, что снизит полезную емкость и срок службы батареи.^1-3.&NBSP ;Когда элемент батареи упакован в электромобиль или электронное изделие 3C, он сжимается в разной степени из-за нехватки места в корпусе или других компонентах, что влияет на изменение характеристик элемента батареи при последующем использовании.

В этой статье анализатор набухания на месте (Швеция ) используется для проверки силы набухания и изменения температуры элемента батареи при различной начальной предварительной нагрузке (60 кг/90 кг/120 кг) и различных скоростях заряда и разряда корпуса. литий-железо-фосфатный аккумулятор и анализировать набухание элемента и поведение при повышении температуры.

Рисунок 1. Принципиальная схема аккумуляторной батареи системы ЛФП

Информация о тестировании

1. Испытательное оборудование:Анализатор набухания на месте, модель SWE2110 (ИЭСТ ), который может оказывать давление в диапазоне от 5 до 1000 кг, внешний вид оборудования показан на рисунке 2.

Рисунок 2: Внешний вид оборудования SWE2110

2. Параметры теста

2.1 Информация об аккумуляторе: Аккумулятор ЛФП /графит 40 Ач с квадратным корпусом

2.2 План испытаний:Изменение силы набухания и температуры при одинаковом увеличении с разными преднагрузками (60кг/90кг/120кг); Изменение силы набухания и температуры одной и той же предварительной нагрузки (60 кг) при разном увеличении (1°, 1,5°, 2,5°); изменения напряжения и тока в цикле заряда и разряда аккумулятора показаны на рисунке 3.

Рисунок 3: Схематическая диаграмма зарядки и разрядки аккумулятора

2.2 Тест на набухание по толщине клеток:Поместите тестируемую ячейку в соответствующий канал устройства, откройте программное обеспечение СКУЧАТЬ , установите соответствующий номер ячейки, частоту дискретизации, испытательное давление и другие параметры для каждого канала, и программное обеспечение автоматически считывает данные, такие как толщина ячейки, толщина изменения, температуры, тока, напряжения и емкости.

Анализ результатов

1. Кривые набухания клеток и изменения температуры при различных начальных условиях предварительной нагрузки.

Аккумуляторные элементы были подвергнуты испытаниям на зарядку и разрядку 1С при трех различных начальных условиях предварительной нагрузки. Кривые набухания, измеренные на месте, изменения температуры и кривые дифференциальной емкости показаны на рисунке 4. Из рисунка 4 (а) видно, что с увеличением начального усилия предварительной затяжки изменение максимальной силы ячейки при зарядке и разрядке также постепенно увеличивается, главным образом потому, что чем больше усилие предварительной затяжки, тем меньше начальный зазор ячейки. Чем меньше значение, тем больше ограничивается структурное набухание ячейки в процессе интеркаляции и деинтеркаляции лития.

На рисунке 4(b) температура поверхности элемента увеличивается при трех условиях во время процесса зарядки и разрядки, что указывает на то, что через внутреннюю часть элемента проходит ток, а температура на поверхности элемента будет составлять около 3°С. °С. При отключении тока в период покоя температура поверхности медленно снижается. Из изменения положения пика кривой дифференциальной емкости процесса зарядки и разрядки на рисунке 4(с) видно, что по мере увеличения начальной предварительной нагрузки с 60 кг до 90 кг и 120 кг положение пика сначала смещается влево, а затем остается неизменным, что указывает на то, что определенная степень предварительной нагрузки способствует снижению поляризации клетки.

Умеренное давление может улучшить электрический контакт между частицами, предотвратить отслоение электродного слоя и вывести газ из электродного слоя, но когда давление слишком высокое, сжатие будет препятствовать прохождению ионов, тем самым увеличивая ионное сопротивление; и неравномерное распределение давления также приведет к закрытию пор диафрагмы, и распределение тока будет неравномерным, что приведет к локальному осаждению лития.

Кроме того, различное начальное давление также приведет к различным характеристикам эволюции напряжения батареи во время длительных циклов: более высокое ограничивающее давление приведет к быстрому ухудшению цикла батареи и быстрому снижению емкости. Однако, по сравнению со случаем без давления, правильное давление может улучшить стабильность цикла и сохранение емкости батареи.

Рис. 4. Ячейка при трех видах предварительной нагрузки (а) кривая силы набухания; (б) кривая изменения температуры; (в) кривая дифференциальной мощности.

1. Кривые набухания клеток и изменения температуры при различных условиях скорости

Кривые силы набухания, температуры и дифференциальной емкости элемента батареи при трех различных условиях скорости заряда и разряда показаны на рисунке 5. Батарея заряжается и разряжается с разной скоростью. С увеличением скорости заряда максимальная сила набухания элемента увеличивается примерно со 144 кг до 164 кг, а повышение температуры поверхности элемента становится более очевидным.

При скорости 2,5°С максимальное повышение температуры составляет около 15°С, а пиковое положение кривой дифференциальной емкости в процессе зарядки аккумуляторной батареи постепенно смещается вправо. Приведенная выше информация показывает, что скорость заряда и разряда по-разному влияет на силу набухания, температуру и поляризацию элемента батареи.

Рис. 5. (а) Изменение силы набухания; b) изменение температуры; (в) Кривая дифференциальной емкости при различных скоростях заряда и разряда элемента.

Подведем итог

Влияние скорости заряда и разряда на силу набухания ячейки рассматривается с двух точек зрения: обратимого набухания и необратимого набухания. Обратимое набухание относится к изменению объема решетки материала электрода из-за явления делитирования и интеркаляции лития в электроде.

Необратимое набухание включает рост пленки СЭИ , образование межфазных дендритов, выделение газа, фрагментацию и расслаивание частиц, вызванные необратимым повреждением. Увеличение скорости заряда-разряда приводит к накоплению большого количества ионов лития на поверхности активных частиц, в результате чего увеличивается разница концентраций между внутренней частью и поверхностью частиц, что приводит к образованию дендриты лития на поверхности с одной стороны.

С другой стороны, напряжение на частицах будет увеличиваться с увеличением разности концентраций. Чем больше напряжение, тем легче частицам растрескиваться или даже ломаться, что приводит к необратимым структурным повреждениям и вздутию литиевой батареи.

Справочные материалы

1. Дунцзян Ли, Дмитрий Данилов, Цзе Се, Люк Раймакерс, Лу Гао, Юн Ян, Питер Х.Л. Ноттен, Механизмы деградации батарей C6/LiFePO4 : экспериментальный анализ календарного старения, Электрохимика Акта .http ://дх .дои .организация /10.1016/j.электракта .2015.12.161

2. Томас М. М. Хинан, Пол Р. Ширинг*, «Выявление причин микроструктурных дефектов, таких как растрескивание, в катодных частицах с высоким содержанием никеля NMC811 для литий-ионных аккумуляторов». Доп. Энергия Матер. 2020, 2002&NBSP ;655.

3. Дай H, Ю C, Вэй X, Солнце Z, Оценка состояния заряда литий-ионных аккумуляторных батарей на основе измерения напряжения, Энергия (2017).

4.&NBSP ;М Леверенц,Маронджио,Варнеке,ВЫ овцы. Дифференциальный анализ напряжения как инструмент анализа неоднородного старения: тематическое исследование цилиндрических ячеек LiFePO4 |графит . Журнал источников питания 368 (2017) 57~67.