三元電芯原位膨脹分析-不同充電倍率

2020-12-19 騰訊網

鋰離子電芯在充放電過程中，隨著鋰離子的不斷嵌入和脫出，電芯厚度會出現一定程度的膨脹和收縮，由於正負極材料的脫嵌鋰過程是不完全可逆的，隨著循環的增加，電芯的不可逆厚度也會不斷增加1-3。充電倍率越大，代表電流密度越大，發生反應的鋰離子濃度越大，若倍率太大則會導致負極表面積聚大量鋰離子，易造成鋰離子在負極表面析出，增大電池厚度膨脹。圖1是從不同維度分析鋰沉積過程的示意圖4。本文採用原位膨脹分析儀（SWE），對NCM523/石墨電芯（3446106，理論容量2400mAh）進行不同充電倍率條件下（0.04C/0.2C/0.5C/1.0C/1.5C）厚度測試，對比分析電芯膨脹行為。

圖1. 析鋰示意圖4

實驗設備與測試方法

1. 測試設備：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），可施加壓力範圍50~10000N，設備外觀如圖2所示。

圖2. SWE2110設備外觀圖

2. 測試參數：

2.1充放電測試：25℃，電壓範圍2.8~4.35V，理論容量2400mAh，充電倍率分別為0.04C/0.2C/0.5C/1.0C/1.5C，放電倍率均為0.5C。

2.2電芯厚度膨脹測試：將待測電芯放入設備對應通道，開啟MISS軟體，設置各通道對應電芯編號，採樣頻率，測試壓力等參數，軟體自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等數據。

數據分析

1. 充放電曲線分析

電芯的充放電曲線及微分容量曲線如圖3(a)和3(b)所示。採用不同的充電倍率對電池進行充電，可看到隨著充電倍率的增加，微分容量曲線的峰位右移，這主要是由於大倍率增加了電池極化，使得電化學反應電位增高。當倍率增加到1.5C時，微分容量曲線出現了分峰，這可能由於大倍率導致電池出現部分析鋰，而後隨著電壓升高，析出的鋰又會進一步嵌入石墨中。採用0.5C倍率放電時，微分容量曲線的峰位和峰強都幾乎一致，說明經過不同倍率充電後，在不發生死鋰的前提下，小倍率放電均可恢復至最初容量。

圖3.電芯在5種倍率下充放電曲線(a)和微分容量曲線(b)

2. 膨脹曲線與微分容量曲線分析

電芯的厚度變化曲線與電壓及微分容量曲線的對應如圖4(a)和4 (b)所示。採用不同的充電倍率對電池進行充電，從圖4(a)可看出，隨著循環圈數的增加，每一圈的初始厚度均增加，這說明經過不同的倍率的充放電後，存在一定的不可逆結構相變導致的厚度膨脹。在倍率小於0.5C時，恆壓充電時電池厚度是增加的，但當倍率增大到1.0C和1.5C時，恆壓充電階段會出現厚度減小的現象，這可能是隨著恆壓時電流的減小，電池內部極化逐漸減小，負極結構中的鋰濃度分布逐漸均勻，表現出電池厚度減小。從圖4(b)的微分容量曲線與電池厚度變化量曲線的對應上可看出，厚度曲線斜率的變化均與微分容量曲線的峰一一對應，且隨著充電倍率的增大，厚度增長速率也相應增大。

圖4.電芯在5種倍率下厚度&電壓曲線(a)和微分容量&厚度曲線(b)

總結

本文採用原位膨脹分析儀（SWE）對NCM523電芯在不同充電倍率條件下充放電過程中的厚度膨脹進行分析。隨著充電倍率的增加，電芯的厚度變化量增加，且厚度變化曲線的斜率也增加，後續可進一步探究充電倍率與析鋰及電池厚度膨脹的關係。

參考資料

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

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3.AmartyaMukhopadhyaya, Anton Tokranova, Xingcheng Xiaoc, Brian W. Sheldona. Stressdevelopment due to surface processes in graphite electrodes for Li-ionbatteries: A first report.ElectrochimicaActa, 2012,66, 28–37.

4.ThomasWaldmann, Bj rn-Ingo Hogg, Margret Wohlfahrt-Mehrens. Li plating as unwantedside reaction in commercial Li-ion cells – A review. J. Power. Source. 2018, 384:107–124.

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