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干货|电芯析锂可以通过探测膨胀厚度来检测

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2021-06-22 09:00:00


 

 作者信息及文章摘要

2014年,Bernhard Bitzer等人发表了一种原位探测电池厚度变化来监控电芯析锂的方法。电池在低温或者大倍率充电时会造成正极脱出的锂离子沉积在负极表面,相比正常嵌入到负极种的锂,析锂会导致电芯厚度的增大,因此可以通过测量厚度来表征析锂。

 

 析锂的传统表征方法

² 制作三电极监控负极电位;

² 分析电池老化过程中的容量损失及内阻等电信号;

² 拆解后的物理/化学法证明Li金属的存在;

 

 影响电池厚度变化的几个因素

² 材料结构膨胀:石墨~10%,NMC~1%,LTO:0.1%~0.3%;

² 析锂时的体积变化:根据以下计算公式,析出1Ah的锂会使体积增大0.37cm3.

 

 

 

 

 实验及分析

1. 实验装置

1为测厚实验装置,主要由两个铝板及厚度传感器组成,厚度分辨率为1µm,同时配备数据循环和采集系统BaSyTec XCPS-System。

 

1.原位测试电芯厚度的装置.

2. 电池标准工况循环时的厚度曲线

2为20Ah的NCM/石墨电芯的开路厚度曲线(OCT),该电池的充放电倍率采用1/4C,且每个测试点静置1h。电池的厚度变化曲线分为三个阶段,阶段I的斜率约 9.5 mm /Ah. 阶段II的斜率约3.0 mm/Ah,阶段III的斜率约6.5 mm/Ah。电池满充至100%SOC时,厚度增大了约136µm。

 

2.稳态条件下电池的厚度变化曲线

3. 正极材料对电池厚度的影响

采用体积膨胀比较小的LTO作负极,正极为NCM,电池理论容量16Ah,稳态条件下测得电池充放电过程的厚度变化曲线,在充电过程中,电池的厚度先降低3µm左右,接着又增加至11µm,放电时也同样厚度先降低后稍微增加,但不大于12µm的厚度变化相比图2中约140µm的变化来说可以是忽略不计的。

 

3.NCM/LTO电池的OCT曲线

4. 气体对电池厚度的影响

-5℃条件下对电池循环3圈,采用两个厚度传感器测量电池表面厚度的变化,其中一个传感器的下方带有弹簧片,弹簧力约2bar,如果循环过程中有产气的话,带弹簧的传感器测出的厚度应该会比另一个传感器的厚度大。但从图5的测试曲线上看,二者的厚度曲线相差不大,说明该测试条件下并没有明显的产气行为。

 

4.双厚度传感器装置

 

5.两种传感器测得的厚度曲线比较

5. 气体对电池厚度的影响

对比两种不同电流充电时的厚度变化曲线,3A的电流充电时,电池是没有出现析锂的,当用7A的电流进行充电,可看到厚度变化量要大于3A时的厚度变化量,且在恒压阶段还会出现厚度下降的现象,这主要是因为恒压时电流减小,原来析出的锂会不断的再次嵌入石墨中,因此可以从两条曲线上计算出可逆析锂量和不可逆析锂量。在-5℃温度条件下采用7A充电和20A放电,从图7的循环曲线可看出由于析锂导致的每一圈的不可逆厚度膨胀均在不断增加。

 

6.两种不同测试条件厚度变化曲线

 

7.析锂条件下循环厚度曲线

 

 总结

本文采用分辨率是1µm的原位厚度膨胀测量装置,可以非破坏性的表征电芯在不同充放电条件下析锂情况,同时分析了各种条件对析锂的影响,是一种快速判断析锂的方法。

 

 

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 参考文献

B. Bitzer,Gruhle. A new method for detecting lithium plating by measuring the cell thickness. Journal of Power Sources, 262 (2014) 297~302.


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