La influencia de la tasa de carga en el gas de sobrecarga de la celda

El electrolito es uno de los cuatro materiales principales de las baterías de iones de litio. Tiene un impacto importante en la producción de gas durante la sobrecarga de las baterías de iones de litio. Elegir una formulación de electrolito adecuada puede reparar continuamente el daño SEI de la batería durante el ciclo y mantener los electrodos. La estabilidad estructural del material mantiene la capacidad de la celda y el rendimiento dinámico. Desde la perspectiva de los solventes, las sales de litio y los aditivos, mejorar la seguridad de los electrolitos durante su uso es una dirección importante de la investigación de electrolitos. Dado que cada componente del electrolito tiene su propio potencial de reacción electroquímica, si alcanza este potencial, se producirá una reacción electroquímica y se generará una cierta cantidad de gas al mismo tiempo, lo que hará que el volumen de la celda se expanda e incluso una explosión.^1-3. El voltaje de la batería es más alto cuando se sobrecarga, lo que es más probable que provoque la descomposición de solventes y aditivos en el electrolito, lo que da como resultado la producción de gas, pero las diferentes tasas de carga afectarán el potencial inicial de producción de gas y el volumen de producción de gas. En este documento, se utiliza un monitor de volumen in situ (GVM) para llevar a cabo una prueba de volumen de sobrecarga in situ en diferentes condiciones de velocidad de carga (0,5 C/1,0 C/2,0 C/3,0 C) en baterías de cobaltato de litio/grafito (teórico). capacidad 1000mAh), y comparar y analizar el comportamiento de producción de gas de la celda.

Figura 1.Diagrama esquemático de los modos de falla de las baterías de iones de litio¹

Equipo experimental y métodos de prueba

1. Equipo experimental: modelo GVM2200 (IEST), el rango de temperatura de prueba es de 20 ℃ ~ 85 ℃ y admite pruebas síncronas de doble canal. La apariencia del equipo se muestra en la Figura 2.

Figura 2.Apariencia del equipo GVM2200

2. Método de prueba: Pesar inicialmente la celda m₀, coloque la celda que se probará en el canal correspondiente del dispositivo, abra el software MISG, configure el número de celda y los parámetros de frecuencia de muestreo correspondientes a cada canal, y el software lee automáticamente el cambio de volumen y prueba Datos como temperatura, corriente, voltaje, capacidad, etc.。

Supervisión in situ del comportamiento de generación de gas de las baterías de iones de litio

1．Análisis de la curva de carga y descarga y la curva de cambio de volumen

La curva de cambio de volumen, el voltaje y la curva de capacidad diferencial de la celda se muestran en la Figura 3(a)(b)(c). Se utilizan diferentes tasas de carga para sobrecargar las celdas de la batería a 5 V con corriente constante. En la Figura 3(a) se puede ver que a medida que aumenta la tasa de carga, la capacidad de carga correspondiente disminuye cuando la batería se sobrecarga a 5 V, y la curva de cambio de volumen correspondiente a 0,5 C y 1,0 C tendrá un punto de inflexión obvio cuando la batería se sobrecargue. el voltaje está cerca de 5V, y la producción de gas aumentará considerablemente. En la curva de capacidad diferencial de la Figura 3(b) se puede ver que con el aumento de la tasa de carga, los dos conjuntos de posiciones de pico de litio desintercaladas en las posiciones ① y ② se desplazan gradualmente hacia la derecha, lo que indica que la polarización aumenta gradualmente. La figura 3(c) es la curva después de que la curva de cambio de volumen se diferencia por el voltaje. Se puede ver que hay alrededor de tres picos de producción de gas, mientras que los dos conjuntos de curvas de 2.0C y 3.0C casi no tienen picos obvios en la tercera posición.

Figura 3. La curva de carga y descarga de la celda de la batería a cuatro velocidades (a); la curva de capacidad diferencial (b); la curva de cambio de volumen diferencial (c)

2. Análisis de la capacidad de la celda y el voltaje del gas

La Tabla 1 y la Figura 4 muestran la capacidad de carga de la batería y la información del voltaje del punto de inflexión de la curva de producción de gas a diferentes tasas. A medida que aumenta la tasa de carga, la capacidad de carga de la celda disminuye gradualmente, y cuando la tasa aumenta de 2C a 3C, la tasa de disminución de la capacidad también aumenta. A partir de la curva de producción de gas de la celda, se puede ver que la producción de gas a una tasa pequeña de 0,5C es significativamente mayor que la correspondiente a una tasa superior a 1C. Comparando y analizando la curva de atenuación de la capacidad y la curva de atenuación de la producción de gas, se puede ver que con el aumento de la tasa de carga, la razón principal de la atenuación de la capacidad de la celda no es el aumento de la producción de gas. Puede ser debido al aumento en la tasa de que aumenta la polarización celular, lo que dificulta la desintercalación de los iones de litio. Puede verse en la curva diferencial del cambio de volumen que los voltajes correspondientes de los tres grupos de picos de producción de gas se desplazan hacia la derecha con el aumento de la ampliación. Cuando el aumento es de 3,0C, el tercer pico de producción de gas no aparece, lo que indica que la creciente polarización de la celda de la batería aumenta el voltaje de descomposición de los componentes del electrolito, lo que da como resultado una menor producción de gas en la celda como un todo.

Tabla 1. Información relacionada con la capacidad de carga de la celda y la producción de gas correspondiente a diferentes aumentos

Figura 4. Curvas de análisis de capacidad, producción de gas y tensión de producción de gas bajo diferentes aumentos

Resumen

Este documento utiliza un monitor de volumen de producción de gas in situ de doble canal con temperatura controlable para monitorear el comportamiento de producción de gas de las celdas de iones de litio en diferentes condiciones de sobrecarga. Se puede encontrar que a medida que aumenta la tasa de carga, la capacidad de la celda disminuye. La producción de gas se reduce y el voltaje inicial de producción de gas aumenta. El análisis cualitativo posterior de los componentes de producción de gas se puede combinar para explorar más a fondo los efectos de los diferentes tipos y contenidos de solventes y aditivos en la sobrecarga de las celdas de la batería y ayudar al personal de I + D a desarrollar un sistema de electrolito más seguro y confiable.

Referencias

1. Jing Xie, Yi-Chun Lu. Una retrospectiva sobre las baterías de iones de litio.Comunicaciones de la naturaleza(2020) 11:2499.

2. CP Aiken, JR Dahn et al. Un aparato para el estudio de la evolución de gas in situ en celdas de bolsa de iones de litio.J. Electro Soc., 161 (2014) A1548-A1554.

3. Randolph A. Leising. Pruebas de abuso de baterías de iones de litio: caracterización de la reacción de sobrecarga de las células de grafito LiCoO2Õ. Revista de la Sociedad Electroquímica, 148(8):A838-A844 (2001).