Apreciación de la literatura: un aparato para el estudio de la evolución de gas in situ en celdas de bolsa de iones de litio

Apreciación de la literatura: un aparato para el estudio de la evolución de gas in situ en celdas de bolsa de iones de litio

Información del autor y resumen del artículo

CP Aiken (primer autor) y JR Dahn (autor correspondiente) de la Universidad de Dalhousie en Canadá introdujeron un dispositivo para la producción de gas in situ de baterías de paquete blando de iones de litio para analizar la formación y la carga inicial del sistema de celdas de batería ternario. El fenómeno de la producción de gas en el proceso de descarga permite distinguir la influencia de diferentes aditivos electrolíticos en el cambio de volumen de la celda. 

Principio de medición

Figura 1. Diagrama esquemático de la fuerza celular

Ley de flotabilidad de Arquímedes y teorema de Newton: 

Donde ρ es la densidad del líquido, g es la aceleración de la gravedad, V es el volumen de la celda, Ftensión es la fuerza de tracción y la masa de la lectura de la balanza.

Dispositivo de medición

Cuelgue la celda de la batería en el líquido de aceite de silicona y pruebe la fuerza de tracción del núcleo de la batería al mismo tiempo, y conecte las lengüetas de los polos positivo y negativo del núcleo de la batería al equipo de carga y descarga Maccor Serie 4000 para realizar la carga síncrona y descarga de la batería. La temperatura ambiente de prueba es de 40,0 ± 0,1 ℃.

Figura 2. El diagrama físico y el diagrama del circuito del dispositivo de medición in situ

Figura 3. Ruido sin carga del equipo

Análisis de resultados

1. La influencia del accesorio

Si hay un accesorio cuando se forma la celda afectará la repetibilidad de la prueba y la tendencia del cambio de volumen. Para las baterías con abrazaderas, el gas generado se exprimirá en la bolsa de película plástica de aluminio en blanco en el lateral, y el volumen de las baterías no mostrará una tendencia a la baja evidente, mientras que el gas generado por las baterías sin abrazaderas permanecerá en el piezas polares. En la superficie, ocurren más reacciones, lo que resulta en una disminución del volumen de la celda de alrededor de 0,1 ml. Por lo tanto, la influencia de los accesorios debe tenerse en cuenta durante el experimento, y los experimentos posteriores son todos sin accesorios.

Figura 4. El efecto del accesorio sobre el voltaje y el volumen de la celda

2. La influencia de la ampliación

Al comparar los cambios en el volumen de la celda bajo las cuatro condiciones de carga y descarga para la preparación de litio, se puede ver que durante el primer proceso de carga, el volumen de la celda alcanza el máximo y, a medida que aumenta el tiempo de carga y descarga, el volumen total de la celda muestra un tendencia decreciente. Esto puede estar relacionado con el hecho de que a medida que se extiende el tiempo de prueba, el primer gas generado reaccionará más y hará que el volumen disminuya. Además, se puede observar el fenómeno del “diente de sierra” durante el proceso de carga y descarga de la batería, el cual se relaciona principalmente con la expansión y contracción de la pieza polar en el proceso de liberación de litio. Por lo tanto, para ver más señales de carga y descarga, la tasa de carga y descarga del núcleo es preferentemente menor que C/3. 

Figura 5. La influencia de la tasa de carga y descarga en el voltaje y el volumen de la celda

3. La influencia de la humedad y el tipo de aditivo

Si la celda desnuda se ha secado al vacío durante un tiempo suficiente antes de la inyección de líquido es un factor clave que afecta el contenido de agua de la celda. Comparando la diferencia de producción de gas entre los aditivos VC y VEC, se puede ver que cuando la celda contiene humedad sin secado al vacío, la producción de gas durante la formación será mayor que la de la celda seca.

Las celdas que contienen solo VEC producen la mayor cantidad de gas. Las celdas que contienen VC producen incluso menos gas que las baterías con electrolito en blanco. Cuando se suman VEC y VC, la producción de gas de la celda es menor que la de las celdas en blanco. Lo anterior muestra que VEC produce más gas cuando reacciona, pero cuando se agrega VC nuevamente, inhibirá la reacción de producción de gas de VEC. El fenómeno de VC que inhibe la producción de gas también ocurre en el proceso de formación de células cuando se agrega VC a ES y otros 11 aditivos. Al comparar las curvas de volumen de producción de gas de diferentes tipos de aditivos, también se puede usar para seleccionar aditivos de electrolitos adecuados.

Figura 6. El efecto del tipo de aditivo en el voltaje y volumen de la celda

Resumen

El dispositivo de monitoreo de producción de gas in situ de este artículo puede monitorear el cambio de volumen de la celda en la etapa de formación en tiempo real y luego comparar y analizar el comportamiento de producción de gas de diferentes aditivos:

1. La corriente de formación no tiene un efecto significativo en la producción total máxima de gas de la celda dentro del rango de error medible del equipo;

2. La mayor parte de la producción de gas de la celda de la batería ocurre en la etapa de formación. A medida que aumenta el tiempo de carga y descarga, el volumen de la celda de la batería disminuirá gradualmente, principalmente porque la reacción posterior consume una parte del gas;

3. Entre los 14 tipos de aditivos que se han probado, la combinación de 2% VC + 2% PES es la mejor combinación para reducir la producción de gas de formación, mientras que VEC y ES no producirán gas durante la formación y retrasarán la Tiempo de inicio de producción de gas de las celdas.

Recomendación de equipos de prueba relacionados con IEST

Monitor de volumen de producción de gas in situ: modelo GVM2200 (IEST), rango de temperatura de prueba 20 ℃ ~ 85 ℃, admite prueba síncrona de doble canal (2 celdas), resolución 1 μL, estabilidad a largo plazo y se puede monitorear simultáneamente Los cambios en el volumen de gas producido por la celda en las condiciones de circulación, almacenamiento, sobrecarga y sobredescarga, ¡ayuda a la investigación y desarrollo de materiales y celdas!

Referencia

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