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一种模型扣式电池原位膨胀测试方法

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2022-04-28 14:50:30


锂离子电池作为目前炙手可热的储能载体,已被广泛应用于各行各业,随着应用场景的增加,对电池的安全性也有更高的要求。在锂离子电池充放电过程中会伴随着不同程度的膨胀,一方面会影响电池装配空间的形变,另一方面,不可逆的膨胀累积也会引起活性材料的结构破坏,从而加快容量衰减。在单体电芯层级,对电芯膨胀的表征已有较多表征方法,如可通过对电芯表面施加一定的压力,测试电芯的膨胀厚度变化;或者固定电芯的厚度,测试电芯的膨胀力变化,以这种方法得到的膨胀量是电芯的总体膨胀,包括多层的正负极极片、隔膜、铝塑膜或者铝壳等,无法准确定位膨胀的来源以及定量某一材料的膨胀比例,因此对锂电研究人员来说仍有一定的局限性。


扣式电池是锂电研究人员使用较多的一种电池,它是由单层的正负极和隔膜组成,但由于正负极钢壳的束缚,无法测出极片的膨胀。如果排除正负极钢壳的影响,采用模型扣式电池,只探究单层电池的膨胀行为,则更能直接分析活性材料的膨胀性能,有助于评估材料改性及工艺配方优化的可行性。


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图1.模型扣式电池的示意图


1. 测试设备

主要功能特点:

1.设备尺寸小(长*宽*高120*150*280mm),可放置于手套箱使用;

2.模型扣式电池治具,可用于组装各种类型的全电池;

3.良好的密封性,保证长时间的测试稳定性,获得更可靠的测试结果;

4.高精度厚度测量系统,厚度测量分辨率0.1µm,精度±1µm;

5.原位测试全电池膨胀厚度曲线;

6.可测试固态电解质离子电导率;

7.软件自动合并模型电池厚度变化数据和充放电数据(兼容部分充放电设备),输出测试数据报表。


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图2.模型电池测试系统设备示意图


2. 应用方向


2.1 Li-Li对称电池

组装Li-Li对称电池,测试锂相互沉积过程中厚度变化;测试参数:电流密度为0.5mA/cm2 ,充放电各2h,搁置5min;锂沉积过程中,电池的总厚度逐渐增加,每沉积2mAh的锂,总的电池厚度增加2μm,对应的体积膨胀约为0.76mm3/mAh。


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图3.Li-Li对称电池测试结果


2.2 NCM-Li半电池

组装NCM-Li电池,测试充放电过程中厚度变化;测试参数:电流密度为0.6mA/cm2 ,3~4.3V;电池在充电过程中,厚度膨胀约4μm/mAh, 体积膨胀约为(0.6mm3/mAh),主要是由于三元中的锂沉积到锂片表面导致的。放电时,厚度收缩约3μm/mAh, 体积收缩约为(0.5mm3/mAh),主要是由于锂不断从锂片中脱出嵌入三元,锂片的厚度减小导致。


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图4. NCM-Li半电池测试结果


2.3 三元-石墨电池 


该电池在最初搁置阶段出现厚度下降的现象,主要是由于组装完后的搁置阶段,在施加一定的压力条件下,正负极的界面接触会逐渐紧密;第一圈充电厚度膨胀约2.5μm,放电厚度收缩1μm,这与第一圈电池的首效较低有关,主要是受SEI成膜的影响;后续循环中,充电和放电的厚度变化均约为1.33μm/mAh,对应的体积变化为0.2mm3/mAh,这主要由石墨的脱嵌锂导致的;石墨涂层的厚度约100μm,若忽略正极的膨胀,石墨的厚度膨胀百分比为2%。

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图5. NCM-Gr电池测试结果


2.4 NCM-Si/C电池


测试模型电池的厚度膨胀时,忽略正极NCM极片的膨胀,则测出的总膨胀主要为负极SiC的膨胀,再扣除铜箔的厚度,可以计算出膨胀百分比。对比两种材料,A材料的膨胀比例总体大于B,且第一圈满充时,二者相差较小,而后续继续循环时,B的最大膨胀厚度会相比第一圈时减小,后续缓慢增加,对A材料,每一圈的最大膨胀厚度均一直增加,这可能与两种材料改性方式的不同有关。

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图6. NCM-Si/C电池测试结果


3、总结


本文采用模型电池扣式原位膨胀测试系统MCS1000对模型扣式电池进行膨胀测试,只探究单层电池的膨胀行为,则更能直接分析活性材料的膨胀性能,有助于评估材料改性及工艺配方优化的可行性。



4、参考文献

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

[2] Electrochemical Dilatometry of Si-bearing Electrodes: Dimensional Changes and Experiment Design. Journal of The Electrochemical Society A, 102843.R1


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