作者信息及文章摘要

2020年，Jan-PatrickSchmiegel等人通过在锂离子软包电池上安装一个取气装置（GSP），原位实现对电池不同充电时间、不同电压状态、不同SOC等的气体成分分析。

样品制备和测试装置

• 电芯信息：NCM-811/人造石墨体系，在铝塑膜封装时加入GSP装置，如图2所示；
  
  

图2.电池组装流程示意图

• 电化学测试流程：电池先在1.5V恒压20h，然后进行化成步骤，待化成后抽出气袋中的气体重新封装后再进行一圈的循环，在整个过程定期分析气体成分。
  
• 原位取气装置介绍：如图3所示，在电池的侧边铝塑膜袋边缘采用热压的方式密封GSP取气装置。
  
  

图3.取气装置示意图

• 原位气体成分分析：采用GC-BID设备，混合200μL高纯氩气，在电池每到一个CV步骤时取出5μL气体进行成分分析，如图4为取气过程示意图。
  
  

图4.取气过程示意图

• 原位电池体积测量：采用阿基米德浮力法，通过对处于液体里的电池的拉力的测量实时监测电池在整个化成过程中的体积变化值。
  
• 带取气装置的软包电池气密性验证：如图5所示，对GSP电池和空白对照组进行循环容量监测，发现二者的容量曲线仅相差1 mAh，这说明GSP电池的气密性较好。
  
  
  图5.两种电池循环容量对比
  

结果分析

• 电化学性能分析
  

图6对比了两种电池循环一圈过程中的微分容量曲线，均在约3V左右出现一个反应峰，该峰是EC在负极表面还原性能SEI的反应。图7对初始填充1mL氩气电池的体积变化量进行连续监控四天，发现只有约22μL的误差，这个误差可能来源于噪声信号而不是体积变化，说明电池的气密性很好。

   图6.两种电池循环一圈过程中的微分容量曲线

图7.带GSP的电芯四天存储过程中电芯体积变化

• 化成容量阶段产气机理分析
  

对是否含有FEC添加剂的电解液体系电芯对比分析化成容量过程中不同电压位置的气体成分，如图8所示，在虚线对应的位置取气分析气体成分，且对比微分容量曲线可发现，加入FEC后，电池再3V左右的反应峰减小了，且对比充电过程不同电压处的气体成分，发现加入FEC后电池产生的气体中CO、C2H4和C2H6含量明显减小，且对比产气体积量也同样表现处含FEC的电芯产气量更少。

图8.两种是否含有FEC电池的化成容量曲线及对应的取气电压 及微分容量曲线差异

图9.两种电解液体系的电池充电不同电压的气体成分曲线

图10.两种电解液体系的电池充电不同电压的产气体积对比 

总结

本文采用GPS取气装置组装在锂离子软包电池中实现原位产气成分分析，可以实时监控化成容量过程不同电压位置产气成分，用于指导深入分析产气机理。

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参考文献

Jan-Patrick Schmiegel, Marco Leißing, et al. NovelIn Situ Gas Formation Analysis Technique Using a Multilayer Pouch Bag LithiumIon Cell Equipped with Gas Sampling Port. Journal of The ElectrochemicalSociety, 2020 167 060516.