Análisis de producción de gas in situ de sobrecarga de celda: aditivos de electrolitos
La producción de gas en las celdas de iones de litio es una causa importante de incendio y explosión de las celdas, la selección y combinación razonables de los cuatro materiales principales (material del cátodo, material del electrodo negativo, electrolito, separador) también afectará el rendimiento de seguridad de la celda. La Figura 1 es el comportamiento de producción de gas de diferentes electrolitos 1. Bajo diferentes potenciales, las celdas tendrán diferentes grados de reacción de producción de gas. El electrolito es un canal importante para la transmisión de iones de litio y su actividad electroquímica juega un papel clave en la dinámica y las propiedades termodinámicas de la celda. Durante el proceso de sobrecarga de la celda, es probable que los aditivos en el electrolito sufran una reacción de oxidación y se genere cierta cantidad de gas que hará que la celda se hinche.2-4. 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. El comportamiento de producción de gas de diferentes electrolitos.1
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 apariencia de GVM2200
2. Parámetros de prueba: 25 ℃ 1C CC a 5V.
3. Método de prueba: Pese inicialmente la celda m0, 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, 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. Análisis de la curva de carga-descarga y 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), el contenido de los dos tipos de aditivos A y B: 0%, 1%, 2%, 3%, 5%. Puede verse en la curva que con el aumento del contenido de aditivo, los cambios de volumen de los dos grupos de celdas son cada vez mayores, lo que indica que la reacción de producción de gas del aditivo provoca el hinchamiento de la celda. Cuando el contenido de aditivos alcanza el 5%, se puede ver en la curva de voltaje que es difícil que el voltaje de la celda alcance el límite superior de 5V, esto puede deberse a que la celda produce más gas, lo que conduce al deterioro de la interfaz de contacto entre los electrodos y la mayor polarización de la celda.
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Figura 3.(a) La carga y descarga y la curva de cambio de volumen en diferentes contenidos de aditivo A; (b) La carga y descarga y la curva de cambio de volumen en diferentes contenidos de aditivo B.
2.Análisis de la capacidad de producción de gas y voltaje de inflexión de las celdas
La capacidad de carga de la celda y la información del voltaje del punto de inflexión de la curva de producción de gas con diferentes tipos y contenidos de aditivos se muestran en la Tabla 1 y la Figura 4. Con el aumento del contenido de aditivo, la producción total de gas de las celdas correspondiente a la A y los tipos de aditivos B aumentan gradualmente, y la producción de gas correspondiente a A es ligeramente mayor que la de B. El voltaje de inicio de la producción de gas disminuye gradualmente con el aumento del contenido de aditivos, y el voltaje correspondiente a A es más bajo que el de B. Esto muestra que el potencial de producción de gas de A es anterior al de B, muestra que si A se usa como un aditivo de protección contra sobrecarga, la sobrecarga se puede determinar antes y las medidas de protección de seguridad correspondientes se pueden tomar a tiempo.
Tabla 1.Información relacionada con la capacidad de carga de la celda y la producción de gas correspondiente a diferentes tipos y contenidos de aditivos
Figura 4.Volumen de producción de gas y curva de tensión de inflexión con diferente contenido de aditivos
Resumen
En este documento, se utiliza un analizador de volumen de gasificación in situ de dos canales con control de temperatura para comparar el comportamiento de producción de gas de sobrecarga de las celdas de iones de litio con dos tipos y contenidos de aditivos diferentes. Se puede encontrar que el aditivo A tiene un potencial de reacción más bajo que el aditivo B, la producción total de gas es ligeramente mayor, lo que puede usarse mejor como aditivo de protección contra sobrecarga.
Rreferencias
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2. Christoph R. Birkl, Matthew R. Roberts, Euan McTurk, Peter G. Bruce, David A. Howey. Diagnóstico de degradación para celdas de iones de litio.Revista de fuentes de energía341 (2017): 373-386.
3. 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.
4. 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).