Análisis in situ del comportamiento de hinchamiento de volumen y espesor de la celda de la bolsa

En el caso de las baterías de iones de litio encapsuladas con una película de aluminio y plástico o una carcasa de acero, debido a la limitación del espacio exterior, el aumento del volumen durante la carga y la descarga provocará diferentes grados de tensión en el interior de la batería, lo que afectará la capacidad, la velocidad y la seguridad de la batería. rendimiento, etc. Por lo tanto, controlar la expansión del volumen de litio de la batería de iones es el punto clave para garantizar la seguridad y confiabilidad de la celda de la batería. La hinchazón del volumen celular se divide en hinchazón reversible e hinchazón irreversible. Entre ellos, el hinchamiento reversible proviene del hinchamiento estructural causado por el proceso de desintercalación de iones de litio y el hinchamiento térmico causado por el efecto térmico de la batería, y el hinchamiento irreversible proviene de la producción de gas o cambio de fase estructural irreversible.^1-5。En este documento, desde las dos perspectivas del volumen de la celda y el grosor de la celda, como se muestra en la Figura 1 (a) y (b), el método in situ se usa para monitorear el cambio de expansión durante la carga y descarga y analizar el comportamiento de expansión. de la célula de la bolsa.

(a) Prueba de volumen (b) Prueba de espesor

Figura 1. Esquema de prueba

Equipo experimental y métodos de prueba

1.1 Equipo Experimental

1.1Monitor de volumen de gas in situ, modelo GVM2200 (IEST), prueba el rango de temperatura de 20 ℃ ~ 85 ℃, admite prueba síncrona de doble canal (2 baterías), la apariencia del dispositivo se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Aspecto del equipo GVM2200

1.2 Analizador de hinchamiento in situ, modelo SWE2110 (IEST), la apariencia del equipo se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Aspecto del equipo SWE2110

2. Proceso de prueba

2.1 Proceso de carga y descarga: 25 ℃ Descanso 5 min; 1C CC a 4.2V, CV a 0.025C; descanso 5min; 1C DC a 2.8V, analice el comportamiento de hinchamiento de la misma celda en dos ciclos adyacentes.

2.2 Prueba de hinchamiento del volumen celular: medir el peso inicial m₀ de la celda, coloque la celda a probar 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 datos de prueba como la temperatura , corriente, voltaje y capacidad.

2.3 Prueba de hinchazón del espesor de la celda: coloque la celda que se va a probar en el canal correspondiente del dispositivo, abra el software MISS, configure el número de celda y los parámetros de frecuencia de muestreo correspondientes a cada canal, y el software lee automáticamente el espesor de la celda, cambio de espesor, temperatura de prueba y corriente, voltaje, capacidad y otros datos.

Análisis in situ del comportamiento de hinchamiento de las baterías de paquete blando

1. Comportamiento de hinchamiento celular durante todo el proceso de carga y descarga.

Realice análisis de hinchazón in situ en los dos procesos continuos de carga y descarga de la misma celda. 

La información sobre el diseño de la celda y la información sobre la capacidad se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Información de capacidad y diseño de la celda

Las figuras 4 (a) y (b) muestran respectivamente el cambio de volumen y el cambio de espesor de la celda durante la carga y descarga. Durante el proceso de carga de corriente constante, el volumen y el grosor de la celda de la batería aumentan; durante el proceso de voltaje constante, tanto el volumen como el espesor disminuyen; durante el proceso de descarga de corriente constante, la curva de cambio de volumen muestra un aumento primero y luego una disminución, mientras que la curva de cambio de espesor primero se mantiene básicamente sin cambios y luego disminuye gradualmente. El porcentaje de cambio de volumen y espesor de la celda es básicamente el mismo, lo que indica que la deformación en la dirección del espesor se debe principalmente a la desintercalación del litio durante el proceso de carga y descarga, que a su vez muestra la deformación del volumen general.

Figura 4. (a) Cambio de voltaje y volumen durante la carga y descarga; (b) Cambio de voltaje y espesor durante la carga y descarga

2. Comportamiento de hinchazón celular durante la carga de corriente constante

En el proceso de carga de corriente constante, la curva de capacidad diferencial, el cambio de volumen y la curva de cambio de espesor se muestran en la Figura 5 (a) y (b). El pico de la curva de capacidad diferencial corresponde al cambio de fase de los materiales de los electrodos positivo y negativo en el proceso de extracción de litio. En la posición de voltaje máximo, la pendiente de la curva de cambio de volumen y espesor también cambiará en consecuencia.

Figura 5. (a) Capacidad diferencial y cambio de volumen durante la carga de corriente constante; (b) Capacidad diferencial y cambio de espesor durante la carga de corriente constante

3. Comportamiento de hinchamiento celular durante la carga de voltaje constante

En el proceso de carga de voltaje constante, la curva de cambio de corriente de la celda y la curva de cambio de volumen y espesor se muestran en la Figura 6 (a) y (b). Durante la carga de voltaje constante, la corriente disminuye gradualmente, la distribución de la concentración de litio entre las capas de grafito es gradualmente uniforme⁵, el volumen y el grosor de la celda disminuyen gradualmente y se estabilizan. 

Figura 6. (a) Cambios de corriente y volumen durante la carga de voltaje constante; (b) Cambios de corriente y espesor durante la carga de voltaje constante

4. Comportamiento de hinchazón celular durante la descarga de corriente constante

En el proceso de descarga de corriente constante, la curva de capacidad diferencial y la curva de cambio de volumen y espesor se muestran en la Figura 7 (a) y (b). Al comienzo de la descarga, el volumen de la celda de la batería se expande en aproximadamente un 0,3%, lo que puede ser relacionado con la transición de fase hexagonal 3→hexagonal 2 causada por la inserción de iones de litio en el material NCM durante la descarga. El volumen del material del electrodo positivo aumenta ligeramente y se utiliza la presión constante de 15 kg (~ 1 MPa). elEl grosor de la celda de la batería básicamente no cambia en la etapa inicial de descarga. Similar al comportamiento de expansión del proceso de carga, la posición máxima de la curva de capacidad diferencial durante el proceso de descarga también corresponderá al cambio de la pendiente de la curva de volumen y espesor. Los cambios de volumen y espesor durante la carga y descarga no son completamente simétricos. Esto es causado por el cambio de fase reversible incompleto del material durante el proceso de carga y descarga, lo que conduce a un cierto grado de hinchamiento irreversible.⁴.

Figura 7. (a) Capacidad diferencial y cambio de volumen durante la descarga de corriente constante; (b) Capacidad diferencial y cambio de espesor durante la descarga de corriente constante

Resumen

En este documento, se utilizan un monitor de volumen de gas in situ (GVM) y un analizador de hinchamiento in situ (SWE) para analizar el hinchamiento de volumen y espesor durante el proceso de carga y descarga de la celda de la bolsa, que puede caracterizar el hinchamiento reversible. e hinchazón irreversible en tiempo real, y ayudar a los desarrolladores de Análisis del comportamiento de hinchazón celular en diferentes dimensiones.

Materiales de referencia

1. Ruihe Li, Minggao Ouyang et al. Deformación de volumen de baterías de iones de litio de gran formato bajo diferentes caminos de degradación. Revista de la Sociedad Electroquímica,2019, 166 (16) A4106-A4114

2. Shiyao Zheng, Yong Yang et al. Correlación entre cambios estructurales locales y de largo alcance en materiales estratificados ricos en Ni durante el proceso de carga y descarga.J. Fuentes de energía.2019, 412, 336–343;

3. Y. Reynier, R. Yazami, B. Fultz. La entropía y entalpía de la intercalación de litio en grafito.Revista de fuentes de energía .2003, 119–121 850–855

4. Jan N. Reimers y JR Dahn. Estudios electroquímicos y de difracción de rayos X in situ de intercalación de litio en LixCoO2. Revista de la Sociedad Electroquímicay, 1992, 139, 8

5. Haifeng Dai, Chenchen Yu, Xuezhe Wei, Zechang Sun. Estimación del estado de carga de las baterías de bolsa de iones de litio en función de la medición de la tensión.Energía, 2017, 129, 16.