Efecto de diferentes límites de rigidez (modo lineal) en el rendimiento de la celda

Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio, los materiales de los electrodos positivo y negativo continúan desintercalando el litio, lo que da como resultado cambios en el volumen de partículas, acompañados de cambios en el grosor de las celdas de la batería, al mismo tiempo, con el envejecimiento de la celda de la batería, el grosor de la celda de la batería también aumentará junto con el engrosamiento de la película SEI, la producción de gas y la deposición de litio. Si la celda de la batería está confinada en un espacio fijo (escenario de aplicación práctica), se generará cierta fuerza (fuerza de expansión) en la pared exterior del espacio, y esta fuerza de expansión afectará el rendimiento del ciclo y la seguridad de la celda de la batería. Generalmente, los componentes que limitan el espacio de las celdas de la batería tienen un cierto grado de rigidez, y también sufrirán ciertas deformaciones, como la carcasa del paquete de baterías o los sujetadores del módulo. Tome el resorte como ejemplo para ilustrar el concepto de rigidez. La rigidez K del resorte se define como la relación entre la fuerza del resorte F y su deformación δ, es decir, K=F/δ. En general, se considera que la rigidez k es una constante, suponiendo que la carcasa del paquete de baterías es una placa de metal y que la batería está limitada en un espacio fijo. El espesor de la placa de metal es H, el módulo de elasticidad es E y el área de la placa de metal es A. Si la fuerza requerida es F bajo deformación δ, entonces: En general, se considera que la rigidez k es una constante, suponiendo que la carcasa del paquete de baterías es una placa de metal y que la batería está limitada en un espacio fijo. El espesor de la placa de metal es H, el módulo de elasticidad es E y el área de la placa de metal es A. Si la fuerza requerida es F bajo deformación δ, entonces: En general, se considera que la rigidez k es una constante, suponiendo que la carcasa del paquete de baterías es una placa de metal y que la batería está limitada en un espacio fijo. El espesor de la placa de metal es H, el módulo de elasticidad es E y el área de la placa de metal es A. Si la fuerza requerida es F bajo deformación δ, entonces:

La deformación de la placa de metal es: ε=δ/H.

La tensión de la placa de metal es: σ=Eε=Eδ/H.

La fuerza aplicada sobre la placa de metal es: F = Aσ = AEδ / H.

Entonces, la rigidez de la placa metálica es: K=F/δ=AE/H.

Por lo tanto, la magnitud de la rigidez depende de la geometría de la pieza o elemento estructural (como el espesor H y el área A de la placa de metal) y el tipo de material (es decir, el módulo de elasticidad E del material).

El analizador de hinchazón in situ (SWE) lanzado por IEST tiene modos de prueba de presión constante y espacio constante, que pueden monitorear la evolución del espesor de la celda bajo presión constante o monitorear el cambio de presión bajo un espacio de desplazamiento constante limitado. Estos dos modos pueden detectar efectivamente el proceso de expansión de la batería, pero no consideran la deformación de la estructura en sí misma en el escenario de aplicación real. Por lo tanto, en términos de simulación rápida de la influencia de diferentes grados de confinamiento en el rendimiento de la batería, IEST in-situhinchazónanalizador (SWE) ha introducido un nuevo modo de control (linealhinchazónmodo): ajustando el tamaño del valor de linealidad K (relación de presión a espesor), para realizar la simulación de las restricciones de diferentes límites de rigidez en la celda y, al mismo tiempo, controlar la presión, el espesor, las propiedades eléctricas y otros parámetros in situ . En este documento, se seleccionaron dos experimentos diferentes de valores K y modo de intervalo constante y se compararon y analizaron las diferencias en el impacto sobre la duración de la batería entre los tres.

1 Información de prueba

1.1 Equipo de prueba

En el sitiohinchazónEl analizador, modelo SWE2110 (IEST), puede aplicar un rango de presión de 50~10000N y puede controlar la temperatura desde -20℃~80℃. La Figura 1 muestra la apariencia del dispositivo.

Figura 1. Diagrama esquemático del analizador de hinchamiento in situ

1.2 Parámetros de prueba

1.2.1 La información de la batería se muestra en la Tabla 1

1.2.2 Proceso de carga y descarga: 10 min a 25°C; cargue a 1.0C a 4.2V, continúe cargando a voltaje constante después de alcanzar el voltaje de corte, corriente de corte 0.05C; déjelo a un lado durante 10 minutos, descárguelo a 1.0C, corte el voltaje a 3.0V e inicie el analizador de hinchamiento in situ simultáneamente, el software lee automáticamente datos como el espesor de hinchamiento de la celda, la fuerza de expansión, la corriente, el voltaje y la capacidad.

1.2.3 Explicación del modo de expansión lineal: el valor K está en kg/mm, y los valores de configuración en este experimento son 500 kg/mm ​​y 2000 kg/mm, para simular elhinchazónproceso de la batería en el escenario de la batería piezas estructurales de espacio limitado con diferentes formas geométricas y módulos elásticos; La regulación del valor K solo está habilitada durante el proceso de carga y descarga de la batería. El modo de presión constante o el modo de espacio constante se pueden configurar durante el proceso de almacenamiento del núcleo de la batería. En este experimento, el umbral de inicio del modo de expansión lineal es que el cambio de espesor es superior a 3 μm y el cambio de presión es superior a 0,5 kg, y el modo de separación constante se establece durante el proceso de estantería de celdas de batería.

2. Análisis de resultados

Seleccione tres celdas paralelas, inicie el sistema de análisis de hinchazón in situ, seleccione el modo de prueba correspondiente (brecha constante, modo lineal), establezca la fuerza de precarga inicial de 100 kg y pruebe los parámetros de rendimiento eléctrico, de presión y de espesor en tiempo real sincrónicamente, el experimento se detuvo cuando alcanzó el 80% de la capacidad inicial. Como se muestra en la Figura 2: el espacio de expansión de la batería está limitado en el modo de espacio constante, y el espacio se controla dentro del rango de ±1 μm y la fuerza de expansión aumenta continuamente con el ciclo; El modo de expansión lineal simula la presencia de cierta rigidez en las partes estructurales que limitan el espacio de la batería (como diferentes espesores y placas de metal de material), la fuerza de expansión y el cambio de espesor de expansión en tiempo real durante el proceso del ciclo. que está más cerca de la escena de la aplicación real. Además, a medida que cambia el coeficiente de hinchamiento lineal (valor K), la fuerza de hinchamiento y el grosor del hinchamiento presentan diferentes cantidades de cambio. Cuando K=2000, significa que la rigidez de la parte estructural es grande, es decir, el módulo elástico es grande bajo la misma geometría, y la deformación de la parte estructural en sí es menor, por lo que la presión es mayor cuando la batería se expande. . Cuando K=500, significa que la rigidez de la parte estructural es menor, es decir, el módulo elástico es pequeño y la deformación de la parte estructural en sí es mayor. Por lo tanto, cuando la batería se expande, el cambio de grosor será mayor y la presión será menor. Al mismo tiempo, se encontró que diferentes valores de K tenían diferentes respuestas al control del equipo.

Figura 2. Tendencia de variación de presión y espesor de dos modos de prueba

El modo lineal (K500) selecciona los primeros 5 ciclos y analiza la relación entre el voltaje, la presión, el espesor y el valor K a lo largo del tiempo, como se muestra en la Figura 3: A medida que avanza la carga y la descarga, la presión y el espesor de la celda muestran cambios periódicos , y la presión y el espesor son lineales. Esto demuestra que es posible simular lahinchazóny proceso de contracción de la batería en el escenario real del miembro estructural constreñido con valor de rigidez K=500.

Figura 3. Curvas de cambio de voltaje, presión, espesor y valor K (primeros 5 ciclos)

Si la celdahinchazónel espesor y la fuerza de expansión están asociados con la tasa de retención de capacidad, se extraen los cambios máximos de presión y espesor durante cada ciclo, como se muestra en la Figura 4 (la tasa de retención de capacidad de la línea continua, la línea punteada es la presión y el espesor): Como la celda edades, el máximohinchazónfuerza de la celda en el linealhinchazónLa moda muestra una tendencia decreciente en su conjunto y la máximahinchazónel espesor tiende a aumentar; ElhinchazónLa fuerza de la celda en el modo de brecha constante muestra una tendencia creciente y lahinchazónel valor de la fuerza es el más grande entre los tres modos. Un aumento en la presión externa de la celda aumentará la densidad relativa y el área de contacto entre el material activo y el diafragma y también reducirá la resistencia de la interfaz y algunas reacciones secundarias en la interfaz. Al mismo tiempo, los parámetros del electrodo, como el tamaño de poro y la porosidad del electrodo, también cambiarán para afectar la capacidad de transmisión de iones de la celda durante la carga y descarga. En el modo lineal (K500) y el modo de espacio constante, la curva de retención de capacidad tiene una"punto de inflexión", y esta parte del mecanismo necesita más análisis y verificación para correlacionar con la presión externa.

Figura 4. (a) Retención de capacidad y curva de fuerza máxima de expansión (b) Retención de capacidad y curva de fuerza máximahinchazóncurva de variación de espesor

Si analizamos más a fondo el ciclo del primer giro (BOL) y el ciclo del último giro (EOL) de cada modo, como se muestra en la Figura 5: El máximohinchazónLa fuerza de EOL en modo lineal es menor que la de BOL, pero lo contrario es cierto para el juego constante, lo que muestra que los diferentes métodos de control tienen una gran influencia en el máximohinchazónfuerza. Además, la diferencia entre el máximohinchazónTambién se puede comparar el espesor de EOL y el espesor inicial de BOL, a fin de correlacionar con la selección del espesor del algodón acolchado en el módulo PACK para garantizar que el módulo tenga la resistencia mecánica adecuada durante todo el ciclo de vida.

Figura 5. Tres modos de fuerza de hinchamiento de células BOL y EOL y curvas de espesor de hinchamiento (la línea continua es el espesor, la línea punteada es la presión)

3. Resumen

En este trabajo, el modo lineal de la in-situhinchazónEl analizador (SWE2110) se utiliza para simular la unión de materiales con diferente rigidez a la celda y para monitorear los cambios en el espesor de la hinchazón yhinchazónvigor a lo largo del ciclo de vida, acercar los resultados experimentales a las condiciones reales de trabajo y ayudar a los diseñadores a diseñar soluciones más adecuadas.

4. Referencias

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