日韩av在线高清免费毛片日韩欧美一级成人|女人18以后毛片|国产18女人毛多水多毛片|乱系列人妻视频|中文字幕久久熟女人妻av|91麻豆人妻|校花被我玩弄|父女乱荡|高潮videossex潮喷另类|日本在线观看人妻,黑人侵犯日本人妻,色哟哟视频线在线播放欧美,亚洲欧美国产国产一区第二页

手機(jī)版

掃一掃,,手機(jī)訪問(wèn)

關(guān)于我們 加入收藏

元能科技(廈門)有限公司

2 年金牌會(huì)員

已認(rèn)證

撥打電話
獲取底價(jià)
提交后,商家將派代表為您專人服務(wù)
立即發(fā)送
點(diǎn)擊提交代表您同意 《用戶服務(wù)協(xié)議》
當(dāng)前位置:
元能科技 >技術(shù)文章 >

原位定量分離鋰離子電池的軟/硬膨脹

原位定量分離鋰離子電池的軟/硬膨脹
元能科技  2024-08-27  |  閱讀:896

前 言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭,,鋰離子電池憑借著循環(huán)壽命長(zhǎng),、能量密度高等特性被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、新能源汽車,、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域,,但是隨之而來(lái)的安全問(wèn)題也引起了用戶的極大關(guān)注。鋰離子電池在發(fā)生安全故障的早期往往會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹形變,,并造成電池之間的顯著壓力變化,,而這種膨脹遠(yuǎn)早于溫度異常和氣體溢出現(xiàn)象。因此,,研究鋰離子電池的膨脹行為,,總結(jié)造成鋰離子電池形變的原因,對(duì)提高電池安全性及開(kāi)發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警系統(tǒng)具有重要的意義,。

一方面正負(fù)極材料在充放電過(guò)程中由于脫/嵌鋰而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的硬膨脹[1-3],,另一方面鋰離子電池在化成,、循環(huán)老化、浮充,、存儲(chǔ)等工況下也會(huì)由于各種化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體[4-6],,進(jìn)而造成電芯鼓包,即發(fā)生了軟膨脹行為,。雖然二者表現(xiàn)形式類似,,但形成機(jī)理卻完全不同。鋰離子電池在整個(gè)正常充放電循環(huán)中都會(huì)伴隨著不同程度的產(chǎn)氣膨脹,,其中電解液分解是最主要的產(chǎn)氣來(lái)源,,一是由于電池內(nèi)部的水分會(huì)與電解液反應(yīng)并產(chǎn)生CO?、H?,、O?等氣體,;二是電解液中的EC、DEC等溶劑會(huì)與電極材料的副反應(yīng)產(chǎn)物生成大量的自由基,,再經(jīng)過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放大量的烴類氣體,。而脫/嵌鋰導(dǎo)致的硬膨脹在充放電循環(huán)中是可逆的,但是這種反復(fù)的膨脹與收縮也會(huì)累積內(nèi)應(yīng)力,,并造成電極斷裂等不可逆變形,。通過(guò)區(qū)分硬膨脹和軟膨脹,深入研究鋰離子電池的膨脹機(jī)理與影響因素,,可以更有針對(duì)性地對(duì)電池設(shè)計(jì),、制造和操作條件進(jìn)行優(yōu)化,并提供有價(jià)值的參考意義,。

本文選取市面上研究較多的Si/C負(fù)極,,采用IEST元能科技的原位體積監(jiān)控儀(GVM)并配合原位膨脹分析儀(SWE),有效地對(duì)NCM/SiC軟包電池在化成過(guò)程中的軟/硬膨脹行為進(jìn)行定量分離,,這對(duì)鋰離子電池化成工藝的優(yōu)化與改善具有顯著的指導(dǎo)性意義,。


1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1(a)原位產(chǎn)氣體積監(jiān)控儀,型號(hào)GVM2200,;圖1(b)原位膨脹分析儀,,型號(hào)SWE2110。

1.jpg

圖1(a) GVM2200設(shè)備外觀圖,;圖1(b) SWE2110設(shè)備外觀圖


1.2 測(cè)試信息及流程

1.2.1電芯信息如表1所示:

表1.測(cè)試電芯信息

150618_122598_jswz.png

1.2.2化成充電流程:

表2.化成充電流程

150725_014216_jswz.png

1.2.3實(shí)驗(yàn)流程:

電芯膨脹體積測(cè)試:將待測(cè)電芯(帶氣袋)放入GVM2200對(duì)應(yīng)通道,,開(kāi)啟MISS軟件,設(shè)置各通道對(duì)應(yīng)的電芯編號(hào)和采樣頻率等參數(shù),,軟件自動(dòng)讀取實(shí)時(shí)體積,、測(cè)試溫度、電流、電壓,、容量等數(shù)據(jù),。

電芯膨脹厚度測(cè)試:將待測(cè)電芯(帶氣袋)放入SWE2110對(duì)應(yīng)通道,開(kāi)啟MISS軟件,,設(shè)置各通道對(duì)應(yīng)的電芯編號(hào)和采樣頻率等參數(shù),,軟件自動(dòng)讀取電芯厚度、厚度變化量,、測(cè)試溫度,、電流,、電壓,、容量等數(shù)據(jù)。


2. 結(jié)果分析

2.1 電芯總體積膨脹的結(jié)果分析

將同批次電芯A置于原位產(chǎn)氣體積監(jiān)控儀(GVM2200)內(nèi),,設(shè)置循環(huán)控溫系統(tǒng)的溫度為25℃,,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯A在化成過(guò)程中的體積變化,,結(jié)果如圖2所示,。整個(gè)化成過(guò)程可分為四個(gè)階段:首先是發(fā)生在負(fù)極端的低電壓產(chǎn)氣階段,,主要產(chǎn)生乙烯(C?H?)、乙烷(C?H?)等氣體,。第二階段為氣體生成與消耗并存的階段,,因此產(chǎn)氣曲線的斜率相較第一階段有所變緩。J.R. Dahn等人[4]認(rèn)為此時(shí)生成的部分C?H?會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚乙烯,,并導(dǎo)致產(chǎn)氣的總體積增量有所減緩,。第三階段為高電壓產(chǎn)氣階段,主要發(fā)生在正極端,,并大量產(chǎn)生二氧化碳(CO?)等氣體,,此時(shí)產(chǎn)氣曲線的斜率與第一階段相當(dāng),并在3.647~3.671 V時(shí)達(dá)到最大值~365 μL,。第四階段為化成末期,,隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行,電芯整體的膨脹體積不再繼續(xù)上升,,并呈現(xiàn)輕微的下降趨勢(shì),,這主要是由于正、負(fù)極表面已生成較為穩(wěn)定的SEI膜,,不再繼續(xù)產(chǎn)生氣體,,但是部分C?H?仍會(huì)繼續(xù)發(fā)生聚合反應(yīng)或與CO?發(fā)生消耗反應(yīng)[4],致使化成后期電芯的總體積呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)(~16 μL),。值得注意的是,,該設(shè)備檢測(cè)的電芯體積膨脹一方面包括產(chǎn)氣導(dǎo)致的軟膨脹,另一方面還包括鋰離子嵌入Si/C負(fù)極后引起的硬膨脹,因此最終得到的是電芯的總體積變化,。

4.jpg

圖2.電芯充電曲線及體積變化曲線


2.2 電芯硬膨脹行為的結(jié)果分析

將同批次平行樣電芯B置于原位膨脹分析儀(SWE2110)內(nèi),,壓力模式設(shè)置為恒壓力模式(壓力值恒定為5.0kg),并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯B在整個(gè)化成過(guò)程中的厚度變化,,結(jié)果如圖3所示,。在化成的充電前期,電芯B的厚度變化(綠線)并不明顯,,甚至有細(xì)微的降低(-0.7μm),,這是由于化成初期鋰離子主要被用于化成產(chǎn)氣(軟膨脹),并未嵌入Si/C負(fù)極引發(fā)硬膨脹,,原位膨脹分析儀(SWE2110)在縱向上對(duì)電芯施加的預(yù)緊力使得化成產(chǎn)生的氣體更傾向于橫向擴(kuò)散至電芯側(cè)邊的氣袋中,,并未引起縱向上的厚度變化(化成初期形成的SEI膜厚度小于1nm[7],可忽略其對(duì)厚度的影響),,反而是正極脫鋰導(dǎo)致的體積收縮使得相對(duì)厚度變化曲線在~3.47 V以下的電壓區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了細(xì)微的下降,。當(dāng)充電至~3.47 V以上時(shí),大量的鋰離子除了用于成膜外,,也開(kāi)始嵌入Si/C負(fù)極內(nèi)并引發(fā)硬膨脹,,此時(shí)相對(duì)厚度變化曲線開(kāi)始出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),并在后續(xù)的充電過(guò)程中急速增加,,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束,。因此,該設(shè)備與方法主要檢測(cè)的是電芯的硬膨脹行為,。

5.jpg

圖3.電芯充電曲線及厚度膨脹曲線隨時(shí)間的變化


2.3 電芯軟/硬膨脹的分離

由于測(cè)試電流較小,,因此我們忽略充電過(guò)程中鋰離子的濃度梯度對(duì)電芯厚度不均勻膨脹的影響。該批次電芯的極片大面尺寸為60mm*45mm,,將電芯脫嵌鋰的厚度變化量(圖3測(cè)試結(jié)果)乘以極片面積,,即可求得電芯硬膨脹過(guò)程中的體積變化。利用總體積變化量(圖2測(cè)試結(jié)果)減去電芯硬膨脹的體積變化量,,便可得到電芯化成過(guò)程中的產(chǎn)氣體積量,,從而實(shí)現(xiàn)電芯軟膨脹和硬膨脹的有效分離,結(jié)果如圖4所示,??梢钥闯鲈趡3.47 V之前的電壓區(qū)間內(nèi),軟膨脹行為的占比(紫線)一直保持在100%左右(占比略大于100%是由于化成前期電芯不僅沒(méi)有明顯的硬膨脹行為,,反而因正極脫鋰引起了細(xì)微的結(jié)構(gòu)收縮,,如2.2部分所述),而在~3.47 V以上的電壓區(qū)間,,鋰離子開(kāi)始有效地嵌入Si/C負(fù)極中,,此時(shí)硬膨脹行為(橙線)開(kāi)始對(duì)電芯的總體積膨脹產(chǎn)生一定的貢獻(xiàn),但是這些貢獻(xiàn)最大時(shí)(化成末期)也僅占到了總膨脹量的10%左右。因此電芯在整個(gè)化成階段所發(fā)生的體積膨脹主要來(lái)源于成膜時(shí)產(chǎn)氣所引發(fā)的軟膨脹行為(占比90%以上),,而嵌鋰所引發(fā)的硬膨脹行為主要發(fā)生在化成的中后期,,且所占比例最大時(shí)也僅有10%左右。

化成主要是生成穩(wěn)定SEI膜并伴隨產(chǎn)氣的過(guò)程,,電池后期循環(huán)過(guò)程雖然產(chǎn)氣較少,,但是整個(gè)循環(huán)過(guò)程中始終伴隨著不同程度的產(chǎn)氣行為,即電池存在軟膨脹過(guò)程,,特別是在過(guò)充,、過(guò)放、高溫等條件下產(chǎn)氣也很明顯,。而電化學(xué)膨脹不斷反復(fù)累積也會(huì)產(chǎn)生不可逆形變,。因此,在電池循環(huán)過(guò)程中或者安全測(cè)試條件下,,采用本文所述方法能夠成功區(qū)分并定量表征電池的軟/硬膨脹,,并更深入地分析產(chǎn)氣鼓包和電化學(xué)膨脹的各自貢獻(xiàn),從而更有針對(duì)性地提出電池優(yōu)化策略,。

6.jpg

圖4.電芯化成膨脹和產(chǎn)氣變化曲線


3. 總結(jié)

本文采用元能科技(廈門)有限公司的原位體積監(jiān)控儀(GVM)并配合原位膨脹分析儀(SWE),,對(duì)NCM/SiC體系電芯化成階段的軟/硬膨脹行為進(jìn)行了定量的表征與分離,發(fā)現(xiàn)在整個(gè)化成階段,,電芯所發(fā)生的總體積膨脹主要來(lái)源于成膜時(shí)產(chǎn)氣所引發(fā)的軟膨脹行為(占比90%以上),,而嵌鋰所引發(fā)的硬膨脹行為主要發(fā)生在化成的中后期,,且所占比例最大時(shí)也僅有10%左右,。該原位定量分離方法有助于相關(guān)技術(shù)人員對(duì)硅基負(fù)極材料的膨脹行為進(jìn)行準(zhǔn)確深入的研究,并推動(dòng)硅基負(fù)極的商品化進(jìn)程,。


4. 參考文獻(xiàn)

[1] J.R. Dahn, Phase diagram of LixC6. Phys. Rev. B 44 (1991) 9170-9177.

[2] S. Chae, M. Ko, K. Kim, K. Ahn and J. Cho, Confronting issues of the practical implementation of Si anode in high-energy lithium-ion batteries. Joule 1 (2017) 47-60.

[3] J.N. Reimers and J.R. Dahn, Electrochemical and in situ X-ray diffraction studies of lithium intercalation in LixCoO2. J. Electrochem. Soc. 139 (1992) 2091-2097.

[4] J. Self, C.P. Aiken, R. Petibon and J.R. Dahn, Survey of gas expansion in Li-ion NMC pouch cells. J. Electrochem. Soc. 162 (2015) A796-A802.

[5] S.L. Guillot, M.L. Usrey, A. Pena-Hueso, B.M. Kerber, L. Zhou, P. Du and T. Johnson, Reduced gassing in lithium-ion batteries with organosilicon additives. J. Electrochem. Soc. 168 (2021) 030533.

[6] T. Yin, L.L. Zhang, L.Z. Jia, Y. Feng, D. Wang and Z.Q. Dai, Overview of research on float charging for lithium-ion batteries. Energy Storage Sci. Technol. 10 (2021) 310-318.

[7] Y. Wang, J.Q. Kang and Z.X. Tan, Study on SEI reaction of lithium-ion batteries based on the electrochemical degradation model. J. Chem. Eng. Technol. 8 (2018) 137-150.



相關(guān)產(chǎn)品

更多

極片電解液浸潤(rùn)系統(tǒng)

型號(hào):EWS

面議
粉末電阻率&壓實(shí)密度儀PRCD2100

型號(hào):PRCD2100

面議
自動(dòng)扣電組裝系統(tǒng)

型號(hào):CAAS

面議
電化學(xué)性能分析儀

型號(hào):ERT7008

面議

虛擬號(hào)將在 秒后失效

使用微信掃碼撥號(hào)

為了保證隱私安全,,平臺(tái)已啟用虛擬電話,,請(qǐng)放心撥打(暫不支持短信)
留言咨詢
(我們會(huì)第一時(shí)間聯(lián)系您)
關(guān)閉
留言類型:
     
*姓名:
*電話:
*單位:
Email:
*留言內(nèi)容:
(請(qǐng)留下您的聯(lián)系方式,以便工作人員及時(shí)與您聯(lián)系?。?/div>