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电池压缩性能与SOC及SOH的关联性探究

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2023-05-30 09:46:14

随着电动汽车的快速发展,电动车在道路上的占有率也越来越高,给人们提供便利的同时,也不可避免的存在很多安全隐患,其中汽车碰撞事故是需要重点关注的安全问题。锂离子电池是电动汽车的储能装置,储存着巨大的能量。尽管锂离子电池被安装在汽车底盘上不易变形的位置,但一旦遭到撞击,就极有可能对电池造成破坏,引起短路失效,最终导致起火甚至爆炸,对人们的生命财产安全造成极大的威胁。因此,对锂离子电池的力学特性进行清晰准确的认识和系统的研究,明确锂离子电池在不同碰撞或压缩条件下产生的力学响应是十分必要的。

锂离子电池的力学性能试验是研究其各项力学性能的重要手段,研究内容也通常围绕多个尺度来实现,主要结合微观尺度、介观尺度、宏观单体尺度以及宏观系统尺度的层级路线。图1为锂离子电池多个尺度示意图,各尺度之间相对独立又直接影响。从锂离子电池单体尺度上看,它主要是由阴阳极片、隔膜、电解液以及铝塑膜或钢壳等组成密封的复杂体。各组分具有不同的机械力学性能,并且随着充放电循环和老化,其内部组分状态也在不断的变化。本文采用元能科技的原位膨胀分析系统,通过关联单体电池SOC以及SOH等参数,监测电池压力和厚度形变情况,对电池的压缩性能进行关联性评估,为锂离子电池不同状态下力学性能研究提供一种可行的方法。该方法实际测定的压缩性能指标也可作为电池仿真模拟的有效的理论支撑数据。


图1.锂离子电池的多个研究尺度



1.实验设备与测试方法

1.1 实验设备:

原位膨胀分析仪,型号SWE2110(IEST元能科技),如下图所示: 

图2.SWE2110设备外观图

1.2 测试信息及流程:

1.2.1 电池信息如表1所示。

表1. 测试电池电池信息

1.2.2 充放电流程: 

1.2.3 实验流程:电池压缩模量测试:将待测电池放入SWE2110对应通道,开启MISS软件,设置压力调控流程、采样频率、充放电流程等,软件自动读取电池厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。 



2.实验结果与分析

原位膨胀分析仪(SWE2110)开启压缩实验(稳态)模式,设置压力调节方式如图3(a)所示:初始压力为10kg, 加压步进100kg,每个压力保压10S,直至1000kg,然后再卸压,卸压步进100kg,每个压力保压10S,直至10kg完成实验。

选取三个新鲜电池,调节不同SOC状态(0%,50%,100%),并按图3(a)调节压力分别对三个电池进行稳态压缩实验。结果如图3(b)所示:加压阶段,随着压力不断增大,电池厚度不断被压缩;卸压阶段,随着压力不断减小,电池厚度不断反弹。同时发现电池不同状态压缩程度不一样,随着SOC增大电池显示更易被压缩,这可能正负活性材料在不同脱嵌锂状态下本身的性能不一致以及不均匀性有关。不同SOC下电池电极内部也会发生变化。比如对于石墨电极,随着嵌入不同量的锂,石墨晶格沿着c轴膨胀10%,而石墨往往平行于集流体排布,因此石墨电极主要早厚度方向上膨胀与收缩。这种体积变化又会使微观颗粒和孔在(脱)锂化过程中彼此轻微变形和重新排序,影响离子和电子的传输,从而在厚度方向上产生SOC和体积变化的不均匀性,甚至可能出现电极表面的顶部电极收缩,底部电极膨胀。此外,石墨和LCO材料在不同的嵌锂量条件下材料的弹性模量、泊松比和密度都会发生变化,从而导致不同的力学性能。

同时,对电池进行大倍率充放电循环,以初始容量为基准,当电池容量降至初始容量的85%时,设定电池健康状态为85%SOH,同理容量为80%时电池健康状态为80%SOH。对比图3(b) (c) (d)可发现不同SOH条件下, 不同SOC电池的压缩程度存在差异。这说明电池的压缩模量不仅与SOC有关,还与电池的SOH状态有关。并且随着电池的老化(本次实验以加大充放电倍率老化),SOC的影响因素有逐渐减弱的趋势。电池在循环老化过程中,由于各种机械和化学过程,电池性能不断下降,电池池降解机制包括集流体腐蚀,活性材料的形态变化,电解质分解,固体电解质界面(SEI)层形成和材料溶解。此外,电池的机械损伤也会加速化学降解,比如在这个插层过程中,体积变化会在颗粒内部引起相当大的应力,导致机械故障,例如活性材料的粉碎或裂缝和断裂。这些裂纹在颗粒上产生新的表面,然后暴露在电解质中,导致额外的SEI层形成以及容量衰减。这些衰减情况同样也会影响电极的膨胀收缩过程。

图3.(a)调压方式 (b) (c) (d)不同SOH下电池压缩模量曲线

进一步地,在相同SOC状态下,对比不同SOH下的电池压缩性能。电池压缩模量与SOH关联如图4所示:随着SOH降低最大形变量不断增加,压缩模量减小,不可逆形变亦不断增加,如表2所示。这可能与电池在大倍率老化时,正负极活性材料不断进行快速锂化/脱锂,不仅引起活性材料结构变化、破碎、溶解,还伴随有各种副反应,导致SEI膜生长,负极析锂,电池产气等有关。活性材料破碎、SEI膜生长以及析锂使电池不可逆形变增大,又由于SEI膜及锂枝晶压缩模量远小于阴阳极片,从而使得老化后电池最大压缩形变明显增大。另外副反应产气也会改变阴阳极片的接触紧密程度,从而影响电池的压缩性能。总之电池压缩模量与电池SOH是息息相关的。

图4.电池不可逆厚度变化曲线

表2.电池压缩性能汇总



3.总结

本文采用元能科技的原位膨胀分析仪(SWE),分析了三元/石墨体系电池压缩性能与SOC及SOH间的关联性,实验表明电池的压缩性能并非静态不变的,而是随SOC、SOH等因素变化。相应的关联性可为相关技术人员设计更可靠产品,为仿真技术人员提供更加真实数据,提升仿真效果。 



参考资料


【1】杨博达. 电动汽车用锂离子动力电池的压缩力学特性研究[D]. 湖南大学

【2】Zhang J, Huang H, Sun J. Investigation on mechanical and microstructural evolution of lithium-ion battery electrode during the calendering process[J]. Powder Technology, 2022, 409: 117828.





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