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​LFP软包电芯原位膨胀分析-不同荷电状态

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2021-11-08 00:00:00

锂离子软包电池在充放电过程中,随着锂离子在正负极材料中的脱嵌反应,正负极的厚度会发生一定程度的膨胀或收缩,从而使电池整体表现出膨胀或收缩的现象。不同充电状态时,锂离子在正负极的分布不同,对应的电池的膨胀厚度也不同,同时电池的内阻及压缩性能也有差异。本文采用原位膨胀分析仪(SWE)结合电化学工作站对软包LFP/Graphite电芯(理论容量3Ah)进行不同荷电状态的膨胀厚度变化测试,对比分析电芯膨胀及内阻性能。

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图1.LFP材料充放电示意图

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实验设备与测试方法
1.1测试设备:原位膨胀分析仪,型号SWE2100(IEST元能科技),可施加压力范围50~10000N,可调控温度-20℃~80℃,如图2所示。

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图2.原位膨胀分析仪示意图

1.2测试参数:

1.2.1电芯信息如表1所示。

表1.电芯信息

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1.2.2测试流程:分别对0%SOC、50%SOC、100%SOC的三个平行样电芯进行压缩测试及电化学阻抗谱测试,同时,对另一个平行样电芯采用1C倍率充放电一圈,同步监控膨胀厚度变化曲线。

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结果分析
对软包LFP/Graphite电芯进行充放电一圈的膨胀厚度测试,结果如图3所示,电芯在满充状态对应的最大厚度膨胀百分比约1%,满放后有约0.02%的不可逆厚度膨胀。

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图3.电芯充放电曲线和膨胀曲线


分别对三个荷电状态的电芯进行压缩实验,压缩流程如图4(a)所示,不断增加施加到电芯表面的压强直至1.8MPa后,保压5分钟,再按照一定的速率完全卸压,同步采集电池的厚度压缩量,如图4(b)所示,随着荷电量的增加,电池被压缩的最大厚度百分比也逐渐增加,但50%SOC与100%SOC状态的两个电芯压缩性能相差不大,卸压后,0%SOC电芯的不可逆压缩厚度均小于其他两个状态的电芯。以上现象说明在电芯充电过程中,锂离子不断嵌入负极石墨层间后,电池的弹性性能更好,更易被压缩,但这种压缩存在更多的不可逆性。

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图4.电芯压缩测试曲线和应力应变曲线


分别对三个荷电状态的电芯进行电化学阻抗谱测试,如图5所示,随着荷电量的增加,电芯的电子电阻均减小,且50%与100%SOC两个电芯的电子电阻较接近,但三种状态电芯的离子电阻相比,50%SOC的离子电阻最小,这也与通常认知的电芯内阻随SOC增加为“浴盆曲线”趋势一致。以上说明随着充电过程电芯厚度逐渐增加,电芯的内阻是先减小后增加的趋势。

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图5.电芯电化学阻抗谱曲线

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总结
本文采用原位膨胀分析仪(SWE)对LFP体系电芯在不同荷电状态的电池进行原位膨胀厚度及压缩性能和阻抗性能分析,结果发现随着电芯荷电量的增加,电芯的厚度不断增加,弹性性能逐渐增加,而电芯内阻表现出先减小后增加的趋势。
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参考文献
1. M.Stanley Whittingham. Ultimate Limits to Intercalation Reactions for LithiumBatteries. Chem. Rev, 2014, 6: A-AD.

2. RichardSim, Steven Lee, Wangda Li, and Arumugam Manthiram. Influence of Calendering onthe Electrochemical Performance of LiNi0.9Mn0.05Al0.05O2 Cathodes inLithium-Ion Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 42898−42908.



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