Análisis de cambios de temperatura e hinchamiento in situ de celdas de batería LFP prismáticas

Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio, con la intercalación y extracción continuas de iones de litio, la tensión dentro de la batería aumentará y disminuirá. Si el estrés irreversible se acumula hasta cierto punto, provocará la rotura de partículas o la precipitación de litio, lo que reducirá la capacidad útil y la vida útil de la batería.^1-3. Cuando la celda de la batería se empaqueta en un vehículo eléctrico o en un producto electrónico 3C, se aprieta en diversos grados debido a las limitaciones de espacio de la carcasa u otros componentes, lo que afecta el cambio de rendimiento de la celda de la batería durante el uso posterior.

En este documento, el analizador de hinchamiento in situ (SWE) se utiliza para probar la fuerza de hinchamiento y el cambio de temperatura de la celda de la batería bajo diferentes precargas iniciales (60 kg/90 kg/120 kg) y diferentes tasas de carga y descarga de la carcasa. celda de la batería de fosfato de hierro y litio y analice la hinchazón de la celda y el comportamiento del aumento de temperatura.

Figura 1. Diagrama esquemático de la celda de batería del sistema LFP

Información de prueba

1. Equipo de prueba:Analizador de hinchamiento in situ, modelo SWE2110 (IEST), que puede ejercer un rango de presión de 5~1000 kg, y la apariencia del equipo se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Aspecto del equipo SWE2110

2. Parámetros de prueba

2.1 Información de la batería: Batería de carcasa cuadrada LFP/Graphite 40Ah

2.2 Plan de prueba:Fuerza de hinchamiento y cambio de temperatura bajo el mismo aumento con diferentes precargas (60 kg/90 kg/120 kg); La fuerza de hinchamiento y los cambios de temperatura de la misma precarga (60 kg) bajo diferentes aumentos (1C, 1.5C, 2.5C); los cambios de voltaje y corriente del ciclo de carga y descarga de la batería se muestran en la Figura 3.

Figura 3: Diagrama esquemático de la carga y descarga de la batería

2.2 Prueba de hinchamiento del espesor celular:Coloque la celda a probar en el canal correspondiente del dispositivo, abra el software MISS, configure el número de celda correspondiente, la frecuencia de muestreo, la presión de prueba y otros parámetros para cada canal, y el software leerá automáticamente datos como el grosor de la celda, el grosor variación, temperatura, corriente, voltaje y capacidad.

Análisis de resultados

1. Curvas de variación de temperatura e hinchamiento celular bajo diferentes condiciones iniciales de precarga

Las celdas de la batería se sometieron a pruebas de carga y descarga de 1C en tres condiciones de precarga inicial diferentes. Las curvas de hinchamiento medidas in situ, los cambios de temperatura y las curvas de capacidad diferencial se muestran en la Figura 4. Puede verse en la Figura 4(a) que con el aumento de la fuerza de preapriete inicial, la variación de la fuerza de hinchamiento máxima de la celda durante la carga y descarga también aumenta gradualmente, principalmente porque cuanto mayor es la fuerza de preapriete, menor es el espacio inicial de la celda. Cuanto menor sea el valor, más se restringe el hinchamiento estructural de la celda durante el proceso de intercalación y desintercalación del litio.

En la Figura 4(b), la temperatura de la superficie de la celda aumenta bajo las tres condiciones durante el proceso de carga y descarga, lo que indica que hay una corriente que pasa por el interior de la celda, y la temperatura en la superficie de la celda será de aproximadamente 3 ºC Cuando se elimina la corriente durante el período de descanso, la temperatura de la superficie disminuye lentamente. Se puede ver en el cambio de posición pico de la curva de capacidad diferencial del proceso de carga y descarga en la Figura 4(c), que a medida que la precarga inicial aumenta de 60 kg a 90 kg y 120 kg, la posición pico primero se desplaza hacia la izquierda y luego permanece sin cambios, lo que indica un cierto grado de La precarga es beneficiosa para reducir la polarización de la celda.

La presión moderada puede mejorar el contacto eléctrico entre partículas, evitar la deslaminación de la capa del electrodo y descargar el gas de la capa del electrodo, pero cuando la presión es demasiado alta, la compresión dificultará la transmisión de iones, lo que aumentará la resistencia de iones; y la distribución desigual de la presión también hará que los poros del diafragma se cierren, y la distribución actual será desigual, lo que provocará una precipitación local de litio.

Además, la diferente presión inicial también conducirá a diferentes características de evolución del estrés de la batería durante el ciclo a largo plazo: una mayor presión de confinamiento hará que el ciclo de la batería se deteriore rápidamente y que la capacidad decaiga rápidamente. Sin embargo, en comparación con el caso sin presión, la presión adecuada puede mejorar la estabilidad del ciclo y la capacidad de retención de la batería.

Figura 4. Célula bajo 3 tipos de condiciones de precarga (a) curva de fuerza de expansión; (b) curva de cambio de temperatura; (c) curva de capacidad diferencial.

1. Curvas de variación de temperatura e hinchamiento celular en diferentes condiciones de velocidad

En la Figura 5 se muestran las curvas de fuerza de expansión, temperatura y capacidad diferencial de la celda de la batería bajo tres condiciones diferentes de velocidad de carga y descarga. La batería se carga y descarga a diferentes velocidades. Con el aumento de la tasa de carga, la fuerza máxima de hinchamiento de la celda aumenta de aproximadamente 144 kg a 164 kg, y el aumento de la temperatura de la superficie de la celda es más evidente.

Cuando la tasa es de 2,5 °C, el aumento máximo de temperatura es de aproximadamente 15 °C y la posición máxima de la curva de capacidad diferencial durante el proceso de carga de la celda de la batería se desplaza gradualmente hacia la derecha. La información anterior muestra que la tasa de carga y descarga tiene diferentes efectos sobre la fuerza de expansión, la temperatura y la polarización de la celda de la batería.

Figura 5. (a) Cambio de fuerza de hinchamiento; (b) cambio de temperatura; ( c ) Curva de capacidad diferencial bajo diferentes tasas de carga y descarga de la celda.

Resumir

La influencia de la tasa de carga y descarga en la fuerza de hinchamiento de la celda se considera desde dos aspectos: hinchamiento reversible e hinchamiento irreversible. La hinchazón reversible se refiere al cambio de volumen de la red del material del electrodo debido al fenómeno de delitiación e intercalación de litio del electrodo.

La hinchazón irreversible incluye el crecimiento de la película SEI, la formación de dendritas interfaciales, la producción de gas y la fragmentación y deslaminación de partículas causada por daños irreversibles. El aumento de la tasa de carga-descarga conduce a la acumulación de una gran cantidad de iones de litio en la superficie de las partículas activas, lo que da como resultado una diferencia de concentración cada vez mayor entre el interior y la superficie de las partículas, lo que conduce a la formación de dendritas de litio en la superficie por un lado.

Por otro lado, la tensión sobre las partículas aumentará con el aumento de la diferencia de concentración. Cuanto mayor es la tensión, más fácil es que las partículas se agrieten o incluso se rompan, lo que provoca daños estructurales irreversibles y la hinchazón de la batería de litio.

Materiales de referencia

1. Dongjiang Li, Dmitri Danilov, Jie Xie, Luc Raijmakers, Lu Gao, Yong Yang, Peter HLNotten, Mecanismos de degradación de las baterías C6/LiFePO4: análisis experimentales del envejecimiento del calendario, Electrochimica Acta.http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2015.12.161

2. Thomas MM Heenan, Paul R. Shearing*, Identificación de los orígenes de los defectos microestructurales, como el agrietamiento dentro de las partículas de cátodo NMC811 ricas en Ni para baterías de iones de litio. Adv. Materia Energética. 2020, 2002655.

3. Dai H, Yu C, Wei X, Sun Z, Estimación del estado de carga para baterías de bolsa de iones de litio basadas en la medición del estrés, Energía (2017).

4. M Lewerenz,Un Marongio,Un Warnecke,TÚ Ovejas. Análisis de voltaje diferencial como herramienta para analizar el envejecimiento no homogéneo: un estudio de caso para células cilíndricas de grafito | LiFePO4. Revista de fuentes de energía 368 (2017) 57~67.