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幹貨|電芯析鋰可以通過探測膨脹厚度來檢測

作者:元能科技(廈門)有限公司 瀏覽: 發表時間:2021-06-22 09:00:00


 

 作者信息及文章摘要

2014年,Bernhard Bitzer等人發表了一種原位探測電池厚度變化來監控電芯析鋰的方法。電池在低溫或者大倍率充電時會造成正極脫出的鋰離子沉積在負極表面,相比正常嵌入到負極種的鋰,析鋰會導緻電芯厚度的增大,因此可以通過測量厚度來表征析鋰。

 

 析鋰的傳統表征方法

² 製作三電極監控負極電位;

² 分析電池老化過程中的容量損失及內阻等電信號;

² 拆解後的物理/化學法證明Li金屬的存在;

 

 影響電池厚度變化的幾個因素

² 材料結構膨脹:石墨~10%,NMC~1%,LTO:0.1%~0.3%;

² 析鋰時的體積變化:根據以下計算公式,析出1Ah的鋰會使體積增大0.37cm3.

 

 

 

 

 實驗及分析

1. 實驗裝置

1為測厚實驗裝置,主要由兩個鋁板及厚度傳感器組成,厚度分辨率為1µm,同時配備數據循環和采集系統BaSyTec XCPS-System。

 

1.原位測試電芯厚度的裝置.

2. 電池標準工況循環時的厚度曲線

2為20Ah的NCM/石墨電芯的開路厚度曲線(OCT),該電池的充放電倍率采用1/4C,且每個測試點靜置1h。電池的厚度變化曲線分為三個階段,階段I的斜率約 9.5 mm /Ah. 階段II的斜率約3.0 mm/Ah,階段III的斜率約6.5 mm/Ah。電池滿充至100%SOC時,厚度增大了約136µm。

 

2.穩態條件下電池的厚度變化曲線

3. 正極材料對電池厚度的影響

采用體積膨脹比較小的LTO作負極,正極為NCM,電池理論容量16Ah,穩態條件下測得電池充放電過程的厚度變化曲線,在充電過程中,電池的厚度先降低3µm左右,接著又增加至11µm,放電時也同樣厚度先降低後稍微增加,但不大於12µm的厚度變化相比圖2中約140µm的變化來說可以是忽略不計的。

 

3.NCM/LTO電池的OCT曲線

4. 氣體對電池厚度的影響

-5℃條件下對電池循環3圈,采用兩個厚度傳感器測量電池表面厚度的變化,其中一個傳感器的下方帶有彈簧片,彈簧力約2bar,如果循環過程中有產氣的話,帶彈簧的傳感器測出的厚度應該會比另一個傳感器的厚度大。但從圖5的測試曲線上看,二者的厚度曲線相差不大,說明該測試條件下並沒有明顯的產氣行為。

 

4.雙厚度傳感器裝置

 

5.兩種傳感器測得的厚度曲線比較

5. 氣體對電池厚度的影響

對比兩種不同電流充電時的厚度變化曲線,3A的電流充電時,電池是沒有出現析鋰的,當用7A的電流進行充電,可看到厚度變化量要大於3A時的厚度變化量,且在恒壓階段還會出現厚度下降的現象,這主要是因為恒壓時電流減小,原來析出的鋰會不斷的再次嵌入石墨中,因此可以從兩條曲線上計算出可逆析鋰量和不可逆析鋰量。在-5℃溫度條件下采用7A充電和20A放電,從圖7的循環曲線可看出由於析鋰導緻的每一圈的不可逆厚度膨脹均在不斷增加。

 

6.兩種不同測試條件厚度變化曲線

 

7.析鋰條件下循環厚度曲線

 

 總結

本文采用分辨率是1µm的原位厚度膨脹測量裝置,可以非破壞性的表征電芯在不同充放電條件下析鋰情況,同時分析了各種條件對析鋰的影響,是一種快速判斷析鋰的方法。

 

 

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 參考文獻

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



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