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一種模型扣式電池原位膨脹測試方法

作者:元能科技(廈門)有限公司 瀏覽: 發表時間:2022-04-28 14:50:30


鋰離子電池作為目前炙手可熱的儲能載體,已被廣泛應用於各行各業,隨著應用場景的增加,對電池的安全性也有更高的要求。在鋰離子電池充放電過程中會伴隨著不同程度的膨脹,一方面會影響電池裝配空間的形變,另一方面,不可逆的膨脹累積也會引起活性材料的結構破壞,從而加快容量衰減。在單體電芯層級,對電芯膨脹的表征已有較多表征方法,如可通過對電芯表面施加一定的壓力,測試電芯的膨脹厚度變化;或者固定電芯的厚度,測試電芯的膨脹力變化,以這種方法得到的膨脹量是電芯的總體膨脹,包括多層的正負極極片、隔膜、鋁塑膜或者鋁殼等,無法準確定位膨脹的來源以及定量某一材料的膨脹比例,因此對鋰電研究人員來說仍有一定的局限性。


扣式電池是鋰電研究人員使用較多的一種電池,它是由單層的正負極和隔膜組成,但由於正負極鋼殼的束縛,無法測出極片的膨脹。如果排除正負極鋼殼的影響,采用模型扣式電池,隻探究單層電池的膨脹行為,則更能直接分析活性材料的膨脹性能,有助於評估材料改性及工藝配方優化的可行性。


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圖1.模型扣式電池的示意圖


1. 測試設備

主要功能特點:

1.設備尺寸小(長*寬*高120*150*280mm),可放置於手套箱使用;

2.模型扣式電池治具,可用於組裝各種類型的全電池;

3.良好的密封性,保證長時間的測試穩定性,獲得更可靠的測試結果;

4.高精度厚度測量系統,厚度測量分辨率0.1µm,精度±1µm;

5.原位測試全電池膨脹厚度曲線;

6.可測試固態電解質離子電導率;

7.軟件自動合並模型電池厚度變化數據和充放電數據(兼容部分充放電設備),輸出測試數據報表。


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圖2.模型電池測試系統設備示意圖


2. 應用方向


2.1 Li-Li對稱電池

組裝Li-Li對稱電池,測試鋰相互沉積過程中厚度變化;測試參數:電流密度為0.5mA/cm2 ,充放電各2h,擱置5min;鋰沉積過程中,電池的總厚度逐漸增加,每沉積2mAh的鋰,總的電池厚度增加2μm,對應的體積膨脹約為0.76mm3/mAh。


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圖3.Li-Li對稱電池測試結果


2.2 NCM-Li半電池

組裝NCM-Li電池,測試充放電過程中厚度變化;測試參數:電流密度為0.6mA/cm2 ,3~4.3V;電池在充電過程中,厚度膨脹約4μm/mAh, 體積膨脹約為(0.6mm3/mAh),主要是由於三元中的鋰沉積到鋰片表面導緻的。放電時,厚度收縮約3μm/mAh, 體積收縮約為(0.5mm3/mAh),主要是由於鋰不斷從鋰片中脫出嵌入三元,鋰片的厚度減小導緻。


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圖4. NCM-Li半電池測試結果


2.3 三元-石墨電池 


該電池在最初擱置階段出現厚度下降的現象,主要是由於組裝完後的擱置階段,在施加一定的壓力條件下,正負極的界面接觸會逐漸緊密;第一圈充電厚度膨脹約2.5μm,放電厚度收縮1μm,這與第一圈電池的首效較低有關,主要是受SEI成膜的影響;後續循環中,充電和放電的厚度變化均約為1.33μm/mAh,對應的體積變化為0.2mm3/mAh,這主要由石墨的脫嵌鋰導緻的;石墨塗層的厚度約100μm,若忽略正極的膨脹,石墨的厚度膨脹百分比為2%。

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圖5. NCM-Gr電池測試結果


2.4 NCM-Si/C電池


測試模型電池的厚度膨脹時,忽略正極NCM極片的膨脹,則測出的總膨脹主要為負極SiC的膨脹,再扣除銅箔的厚度,可以計算出膨脹百分比。對比兩種材料,A材料的膨脹比例總體大於B,且第一圈滿充時,二者相差較小,而後續繼續循環時,B的最大膨脹厚度會相比第一圈時減小,後續緩慢增加,對A材料,每一圈的最大膨脹厚度均一直增加,這可能與兩種材料改性方式的不同有關。

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圖6. NCM-Si/C電池測試結果


3、總結


本文采用模型電池扣式原位膨脹測試系統MCS1000對模型扣式電池進行膨脹測試,隻探究單層電池的膨脹行為,則更能直接分析活性材料的膨脹性能,有助於評估材料改性及工藝配方優化的可行性。



4、參考文獻

[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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