Análisis de producción de gas in situ de sobrecarga de celda: material de cátodo y electrolito

Durante el proceso de sobrecarga de las baterías de iones de litio, se producirán una serie de reacciones químicas y electroquímicas, incluida la transición de fase reversible de los materiales positivo y negativo, cambios estructurales irreversibles y la reacción de oxidación de los componentes electrolíticos, etc., especialmente cuando el cátodo ternario el material es inestable bajo alto voltaje y se precipita el oxígeno de la red, provocará además que la reacción de oxidación de los componentes del electrolito produzca gas, lo que provocará el hinchamiento de la celda. La Figura 1 es el uso del equipo de monitoreo in situ OEMS para monitorear los cambios en la composición del gas de la sobrecarga del ciclo NCM811 ¹. En este documento, se utilizó un analizador de volumen de gasificación in situ (GVM) para realizar una prueba de volumen de sobrecarga in situ en celdas NCM523/grafito (capacidad teórica 1000 mAh) con diferentes tipos y contenidos de aditivos, y analizar el comportamiento de producción de gas de las celdas. .

Figura 1. Monitoreo de componentes de gas in situ NCM811¹

Equipo experimental y métodos de prueba

1. Equipo experimental: modelo GVM2200 (IEST), rango de temperatura de prueba de 20 ~ 85 ℃, compatible con prueba síncrona de doble canal (2 celdas), la apariencia del equipo se muestra en la Figura 2.

Figura 2.La aparición de GVM2200

2. Parámetros de prueba: 25 ℃ 1C CC a 5V.

3. Método de prueba: Pese inicialmente la celda m0, coloque la celda para probarla 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, el software lee automáticamente el cambio de volumen , temperatura de prueba, corriente, voltaje, capacidad y otros datos.

Análisis de producción de gas de sobrecarga de celda in situ

1．Curva de carga-descarga y análisis de la curva de cambio de volumen

La curva de cambio de volumen y la curva de voltaje de la celda se muestran en la Figura 3 (a) (b) (c), C1 y C2 son dos tipos de materiales de cátodo con diferentes aditivos de electrolitos son tipo E1 y E2, y el contenido del aditivo ：0%, 1%, 2%, 3%, 5%. Comparando las Figuras 3(a) y 3(b),  se combinan con el mismo electrolito, a medida que aumenta el contenido de aditivo de electrolito, el cambio de volumen de los dos grupos de celdas se vuelve cada vez más grande, se explica que la reacción de producción de gas del aditivo hace que la celda se hinche. Comparando además la producción total de gas de las celdas, se puede encontrar que la celda correspondiente al material del cátodo C2 produce más gas. Esto puede deberse a la estructura más inestable del material a altos voltajes, liberando más oxígeno reticular para que reaccione con el electrolito. Comparando las Figuras 3(a) y 3(c), el mismo material de cátodo con diferentes electrolitos, el volumen de la celda aún aumenta con el aumento del contenido de aditivos, pero la producción total de gas de los dos grupos de celdas es casi la misma. , muestra que el tipo de aditivo no afecta la producción total de gas.

Figura 3.Curvas de producción de gas y voltaje de celda de diferentes materiales de cátodo con diferentes electrolitos

2. Análisis de la capacidad de producción de gas y voltaje de gas de las celdas

La producción total de gas y la información de voltaje del punto de inflexión de la curva de producción de gas de los tres grupos de celdas se muestran en la Tabla 1 y la Figura 4. Con el aumento del contenido de aditivo, la producción total de gas de la celda correspondiente a la E1 y Los tipos de aditivos E2 aumentan gradualmente y, cuando se usan con el material del cátodo C2, la producción total de gas de la celda será significativamente mayor. Comparando el mismo aditivo, a medida que el contenido aumenta del 1% al 5%, el voltaje inicial de producción de gas de la celda cambia menos. Por lo tanto, el tipo de material de cátodo y el contenido de aditivo de electrolito afectarán la producción total de gas de la celda, y el tipo de aditivo afectará el potencial de producción de gas de la celda, al elegir el material de cátodo correcto,

Tabla 1. Información sobre la producción de gas y el potencial de producción de gas de celdas con diferentes materiales de cátodo y diferentes electrolitos

Figura 4. Volumen de producción de gas y curva de voltaje de gas de diferentes materiales catódicos y diferentes electrolitos

Resumen

En este documento, se utiliza un analizador de volumen de gasificación in situ de doble canal con control de temperatura para comparar y analizar el comportamiento de sobrecarga y generación de gas de las baterías de iones de litio cuando se combinan con diferentes materiales de cátodo y diferentes electrolitos. Se puede encontrar que el tipo de material del cátodo y el contenido de aditivo de electrolito afectarán la producción total de gas de la celda, y el tipo de aditivo afectará el potencial de producción de gas de la celda. Por lo tanto, la selección del material de cátodo adecuado, el tipo de aditivo de electrolito y el contenido pueden controlar la sobrecarga y el comportamiento de generación de gas de la celda.

Referencias

Roland Jung et al. Liberación de oxígeno y su efecto sobre la estabilidad cíclica de LiNixMnyCo₂O₂(NMC) materiales de cátodo para baterías de iones de litio.J. Electroquímica. Soc. 2017, 164 A1361