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單體電芯與模組電芯膨脹性能關聯性分析

作者:元能科技(廈門)有限公司 瀏覽: 發表時間:2022-07-11 16:46:24


隨著新能源行業快速發展,鋰離子動力汽車已經得到廣泛應用,鋰離子電池的安全性能也越發重要。單體電芯通過串、並聯方式組合形成模組,在長周期的充放電循環過程中,單體電芯由於脫嵌鋰以及產氣等原因會產生一定程度的膨脹,從而對模組殼體的結構強度產生影響。在電池包或整車體系中,若單體電池的膨脹力過大,可能會撐破外殼造成安全風險。因此,在電池的長周期循環測試中需要引入對膨脹性能的監測。

由於電池單體在組成電池模組時以不同數量、不同的串並聯方式組合,不同設計的模組預緊力也會不同,所以需要對若幹影響膨脹性能的因素進行試驗,初步探索電池單體‑模組的膨脹變化規律,結合仿真模擬,可以幫助更好地設計模組。本實驗通過對比單電芯和多電芯在充放電過程中的膨脹厚度和膨脹力關聯性,為電池模組膨脹力的預測仿真提供基礎性數據。

圖1. 單體電芯與模組示意圖¹


1、實驗設備與測試方法

1.1實驗設備原位膨脹分析儀,型號SWE2110(IEST元能科技),設備外觀如圖2所示。

圖2. SWE2110設備外觀圖

1.2測試流程

1.2.1電芯信息如表1所示。

Information of cell
CathodeNCM
AnodeGraphite
Capacity2000mAh
Voltage3.0~4.2V
Model345877

1.2.2充放電流程:25℃ Rest 60min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.05C; rest 30min; 1.0C DC to 3.0V。

1.3電芯厚度膨脹測試將待測電芯放入設備對應通道,開啟MISS軟件,設置各通道對應電芯編號和采樣頻率參數,軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等數據。



2、實驗過程及數據分析

如圖3所示,電芯和模組膨脹測試時一般有三種模式:(a)沒有任何約束的自由膨脹的測量;(b)施加恒定預緊力的電池單元膨脹測量;(c)恒定間隙的電池單元膨脹測量。電池或模組單元可以分解成兩個等效剛度元件:內部電芯的等效剛度ka和外殼的等效剛度kc。

三種情況的平衡條件下受力分析如圖3所示,在第一種情況下,外殼限製了內部卷芯的膨脹,外殼受力和卷芯受力達到平衡,對外合力為零;在第二種情況下,外部預緊力負載 ( F 0 ) 施加到電池上,會導緻電池外殼的初始位移(圖 3b中的 s0和s0,c),相兩側束縛板增加了垂直於電極的方向上的等效剛度ks,平衡條件下預緊力F0(與兩側束縛版受力Fs相同)等於卷芯和電池外殼受力之和;在第三種情況下,恒定測量間隙時,因為間隙固定條件,電池膨脹時卷芯和電池外殼的膨脹也不同於自由條件下的膨脹。

總之,由於模組是多個電池組合在一起的,電池外殼和電池之間的塑料墊片在受力過程中都會存在收縮和膨脹,所測試的厚度和力是電極嵌脫鋰膨脹與收縮以及其他部件膨脹與收縮共同結果。本文分別采取恒壓力和恒間隙測試模式,研究單體與模組之間的關聯性。

圖3. 電芯和模組單元膨脹測試三種模式²


2.1 單體與模組膨脹厚度關聯性探究

如圖4所示,為了模擬單體電芯之間的隔層,電芯測試前貼一層白色PET膜。電芯疊加測試方式如圖5所示。開啟原位膨脹分析儀(SWE2110),設置200kg恒壓力模式,以並聯方式充放電,分別原位測試單獨電芯和疊加電芯充放電的膨脹厚度變化,如圖6所示:實線為電芯實際膨脹變化曲線,虛線為擬合疊加曲線(算術和)。從結果來看,單電芯和疊加電芯均表現出充電膨脹放電收縮的現象,這主要是由於脫嵌鋰過程導緻石墨和三元材料的結構膨脹和收縮。隨著疊加電芯數量的增加,模組整體的膨脹厚度不斷增加,並且多電芯的疊加膨脹量曲線(藍色實線)與單電芯疊加算術和膨脹曲線基本一緻(藍色虛線),僅在充電末期和放電末期存在一些差異,這可能與各單體電芯的一緻性差有關,並且隨著電芯疊加數量的增加,這種實測的曲線與擬合的曲線差異越大,這說明越是多電芯的模組,對單體的一緻性要求應該越高。

圖4. 電芯貼PET膜示意圖;圖5. 電芯疊加示意圖


圖6. 各電芯及疊加後膨脹厚度變化曲線



2.2 單體與模組膨脹力關聯性探究

設置恒間隙模式,以並聯方式充放電,分別原位測試單體電芯和疊加電芯充放電過程的膨脹力變化,如圖7所示。從結果來看,隨著模組中疊加的電芯數量增加,模組的總膨脹力不斷增加,但是模組電芯膨脹力的絕對值與單體電芯的膨脹力並沒有倍數關系,通常比多個單體電芯膨脹力相加的數值要小,且疊加的電芯數量越多,絕對值相差的越大,這可能是控製恒間隙的邊界條件,會讓模組中的單體電芯與單獨一個電芯充放電時狀態不同,影響了電化學性能,需要進一步探究差異的原因。可以將成組前單體電芯和成組後單體電芯容量納入考量同時對比分析,堆疊後壓力並沒有呈線性增長,可能是因為堆疊後電芯疊加的較大壓力在達到一個臨界值後壓縮了極片間甚至更微觀尺寸的空間,勢必在電池性能上有所體現!

圖7. 各電芯及疊加後膨脹力變化曲線

由以上結果可知,模組或PACK固定安裝在電池包外殼之內,單體電池之間的墊片對模組整體的受力和膨脹都會有比較大的影響。優異的電池模組設計能夠消除單體電芯的膨脹影響。近日,寧德時代推出的麒麟電池整合使用需求,將橫縱梁、水冷板與隔熱墊合三為一,集成為多功能彈性夾層。在夾層內搭建微米橋連接裝置,靈活配合電芯呼吸進行自由伸縮,提升電芯全生命周期可靠性。

圖8. 寧德時代麒麟電池多功能彈性夾層


3、總結

本文采用原位膨脹分析儀(SWE)對同體系單體電芯和不同數量的模組電芯進行充放電過程的膨脹厚度和膨脹力分析,發現恒壓力模式下,模組電芯的膨脹厚度變化趨勢可以用單電芯算術和進行擬合,而恒間隙模式下則不滿足簡單的算數擬合方式,這與兩種邊界條件的測量模式下電芯單體的受力情況不同,下一步可以繼續探討不同測試模式下的受力模型,更詳細解析電極的膨脹過程。



4、參考文獻

1.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries,Ind. Eng.Chem. Res,2020, 59, 27, 12313–12318.

2.Oh K Y ,  Epureanu B I ,  Siegel J B , et al. Phenomenological force and swelling models for rechargeable lithium-ion battery cells[J]. Journal of Power Sources, 2016, 310(Apr.1):118-129.

3. Martin Wünscha,Kaufmana, Dirk Uwe Sauer. Investigation of the influence of different bracing of automotive pouch cells on cyclic liefetime and impedance spectra. Journal of Energy Storage 21 (2019) 149–155.

4. 邱世濤,陳朝海,江吉兵.泡棉性能對電池模塊膨脹力的影響. 廣東化工,2020,47(22):1-3


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