三元電芯原位膨脹應力分析-不同預緊力

2021-01-11 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，電芯內部會出現應力逐漸增加的現象，若應力累積到一定程度，會導致顆粒破碎或析鋰，降低電芯可使用容量和壽命1-2。電池在封裝至電動汽車或3C電子產品中時，由於外殼或其他部件的空間限制，使其受到不同程度的擠壓，從而影響電池在後續使用過程的性能變化。本文採用原位膨脹分析儀（SWE），對NCM523/石墨電芯（3446106，理論容量2400mAh）進行不同初始預緊力條件下（100N/1000N/5000N）的充放電應力測試，對比分析電芯膨脹行為。

圖1.顆粒破碎的幾種形式1

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 充放電流程：25℃ rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.05C;rest 5min; 0.5C DC to 2.8V。

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. 充放電過程電芯膨脹曲線

電芯在3種初始預緊力條件下進行0.5C充放電測試，膨脹曲線及微分容量曲線如圖3所示。隨著初始預緊力的增加，電芯在充放電過程中的應力變化量也增加，這主要是由於預緊力越大，電芯初始厚度越小，電池在脫嵌鋰過程中的結構膨脹會被限制的程度越大。從微分容量曲線可以看出，隨著預緊力的增加，充電時脫嵌鋰的峰位右移，極化增大，說明膨脹應力的增加會抑制鋰離子的脫嵌反應，影響電池動力學性能。

圖3.電芯在3種預緊力條件下(a)充放電曲線和膨脹曲線；(b)微分容量曲線

2. 充放電過程不可逆膨脹應力分析

電芯在3種預緊力條件下的應力變化與SOC曲線，如圖4。相同SOC條件下，充電過程的應力變化量大於放電過程，兩者之間的差值為可恢復的應力值，這可能是由於在恆壓階段，有部分沉積在負極表面的鋰進一步溶解進入負極結構中，從而減小了一部分電極表面應力。隨著預緊力的增加，也可看到應力變化量是增加的，這是造成電池極化增加的主要原因。

圖4.3種預緊力條件下不同SOC的應力變化曲線

總結

本文採用原位膨脹分析儀（SWE）對NCM523電芯在不同預緊力條件下充放電過程的膨脹應力進行分析。在5000N範圍內，隨著預緊力的增加，電芯的膨脹應力逐漸增大，從而導致了電芯極化增大，動力學性能變差，因此，在設計電芯封裝或使用過程中，一定要注意初始預緊力的影響。

參考資料

1.ThomasM. M. Heenan, Paul R. Shearing, Identifying the Origins of Microstructural Defects Such as Cracking within Ni-Rich NMC811 Cathode Particles for Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 2002655.

2.DaiH, Yu C, Wei X, Sun Z, State of charge estimation for lithium-ion pouch batteriesbased on stress measurement, Energy (2017).

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