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文献赏析:原位测试软包电池中不同硅负极的体积-应力-厚度变化

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2022-07-29 10:18:42


一、作者信息及文章摘要
2017年,J.R.Dahn课题组针对不同硅负极的软包电池,采用原位表征方法测试其电极的体积、应力和厚度变化,并结合计算的方式,定量分析硅复合电极每种成分的体积膨胀占比,从而为深入理解硅基材料的膨胀机理奠定基础。
二、试验方案
1. 本实验中制作三种电池

(A) Li(Ni1-x-yCoxAly)O2 (NCA)/SiO-graphite (供应商 A), 满充至4.2V对应容量为260 mAh;

(B)LiCoO2 (LCO)/Si Alloy-graphite(供应商 B), 满充至4.35V对应容量为230 mAh;

(C) Li(Ni1-x-yCoxAly)O2 (NCA)/nano Si-C(供应商 C), 满充至4.4V对应容量为165 mAh;

2. 测试设备和流程:原位XRD测试,原位体积膨胀测试,原位应力膨胀测试,原位厚度膨胀测试。应力和厚度测试装置如下图所示。

图1. 膨胀力和膨胀厚度测试设备

三、结果分析

图3为三种类型电池在充放电过程中的体积、应力和厚度膨胀测试曲线。从结果来看,电池A和B的体积膨胀和应力膨胀量相当,比电池C的膨胀要大,且电芯A和C在高电压范围内膨胀曲线均有类似的平台区,而电池B在高电压区的膨胀曲线是陡峭的增加或者减小。由于这个曲线的结果是正负电极共同的膨胀导致的,因此在分析单独负极的贡献时,需要分别知道对应的单独材料的膨胀量。

图3. 三种类型电池在充放电过程中的

体积、应力和厚度膨胀测试曲线


图4的(a)(b)曲线是其他相关文献中得到的纯Si和纯石墨在充放电过程中的体积膨胀比例,图(c)是本文章采用原位XRD的方式得到的NCA材料的膨胀比例。从结果可以看出,硅和石墨在充电过程会分别产生280%和10%的体积膨胀,且硅的膨胀曲线随SOC增加表现出线性增加的趋势,而石墨的膨胀曲线在2L→2阶的相变过程会存在一个台阶,此阶段没有明显的体积膨胀。NCA在充放电过程中的膨胀趋势是与硅和石墨相反的,整个充电过程会产生4.5%的体积收缩,且最主要的收缩量发生在高SOC区间段。

图4. 三种纯电极材料充放电过程的

体积变化比例曲线图

通过dV/dQ曲线拟合,得到Si和Gr复合时,每种成分对电极总的电压容量曲线的影响,如图5所示。图6为SiO/Gr复合电极和NCA电极的全电池对应的各成分体积膨胀曲线分解图。从结果来看,电芯A的体积膨胀曲线在高电压段出现平台区的原因是NCA的收缩抵消了SiO的膨胀,因此在全电芯的膨胀曲线上表现出了平台区。

图5. Si和Gr的复合电压容量曲线拟合

图6. SiO/Gr复合电极和NCA电极的全电池

对应的各成分体积膨胀曲线分解

图7为电芯B和C的长循环过程膨胀力和容量变化曲线,对比两种电芯的循环和膨胀性能,LCO/Si合金掺碳的电芯的不可逆膨胀力以及容量衰减速率均大于NCA/Si-C电芯。

图7. 电芯B和C的长循环过程膨胀力和容量变化曲线


四、总结

本文作者采用原位表征方法测试其电极的体积、应力和厚度变化,并结合计算的方式,定量分析硅复合电极每种成分的体积膨胀占比,从而为深入理解硅基材料的膨胀机理奠定基础。

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5.不同温度控制:-20~80℃。






文献原文



A. J. Louli, Jing Li, S. Trussler, Christopher R. Fell, and J. R. Dahn. Volume, Pressure and Thickness Evolution of Li-Ion Pouch Cells with Silicon-Composite Negative Electrodes. Journal of The Electrochemical Society, 164 (12) A2689-A2696 (2017).


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