Análisis de la correlación entre el rendimiento de expansión de las celdas de batería individuales y las celdas de batería del módulo

Con el rápido desarrollo de la industria de la nueva energía, los vehículos que funcionan con iones de litio se han utilizado ampliamente y el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio se ha vuelto cada vez más importante. Durante el ciclo de carga y descarga a largo plazo de un módulo compuesto por celdas de batería individuales conectadas en serie o en paralelo, las celdas experimentarán un cierto grado de hinchazón debido a la extracción de litio y la generación de gas, lo que afectará la resistencia estructural de la carcasa del módulo. . En un paquete de batería o sistema de vehículo, si elhinchazónla fuerza de una sola batería es demasiado grande, puede reventar la carcasa exterior y causar un riesgo de seguridad. Por lo tanto, el seguimiento de lahinchazónse requiere rendimiento en las pruebas de ciclo a largo plazo de las baterías. Dado que las celdas de la batería se combinan en módulos de batería en diferentes cantidades y diferentes configuraciones en serie-paralelo, y la fuerza de apriete previo de los diferentes módulos diseñados también variará, es necesario realizar experimentos sobre varios factores que afectanhinchazónrendimiento para explorar preliminarmente elhinchazónley de variación de los módulos de celdas de batería, combinada con simulación y modelado, que puede ayudar a diseñar mejor los módulos. Este experimento proporciona datos básicos para la predicción y simulación del módulo de batería.hinchazónfuerza comparando lahinchazónespesor yhinchazóncorrelación de fuerza de una sola celda y multi-celda durante la carga y descarga.

Figura 1. Diagrama esquemático de celda única y módulo

1. Equipo experimental y métodos de prueba

1.1 Equipo Experimental: Analizador de hinchamiento in situ, modelo SWE2110 (IEST), el aspecto del equipo se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Apariencia del Equipo SWE2110

1.2 Procedimiento de prueba

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

Tabla 1. Información de la celda de prueba

1.2.2 Proceso de carga-descarga: 25°C Reposo 60min; 0.5C CC a 4.35V, CV a 0.05C; descanso 30min; 1.0C CC a 3.0V.

1.3 Prueba de hinchazón del grosor 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 leerá automáticamente el espesor de la celda, la variación del espesor , temperatura de prueba, corriente, voltaje, capacidad y otros datos.

2. Proceso Experimental y Análisis de Datos

Como se muestra en la Figura 3, generalmente hay tres modos para las pruebas de hinchamiento de celdas y módulos: (a) medición de hinchamiento libre sin ninguna restricción: (b) medición de hinchamiento de celdas de batería con precarga constante; (c) brecha constante La medición de la hinchazón de la celda de la batería.

El análisis de fuerzas de las tres situaciones en condiciones equilibradas se muestra en la Figura 3. En el primer caso, la capa exterior restringe elhinchazóndel núcleo interno, la fuerza en la capa externa y el núcleo están equilibradas, y la fuerza externa es cero; En ambos casos, se aplica una carga de precarga externa (F0) a la celda, lo que provoca un desplazamiento inicial de la caja de la celda (s0 y s0,c en la Figura 3b), y las placas de unión del lado de la fase aumentan la dirección perpendicular a la electrodos La rigidez equivalente KS anterior, la fuerza de preapriete F0 en condiciones de equilibrio (igual que la fuerza Fs de la versión unida en ambos lados) es igual a la suma de las fuerzas en el núcleo del devanado y la caja de la batería; en el tercer caso, al medir la brecha constantemente, porque la brecha En condiciones fijas, elhinchazóndel núcleo del devanado y la caja de la batería cuando la batería se expande también es diferente de la que existe en condiciones libres.

En resumen, dado que el módulo es una combinación de varias baterías, la junta de plástico entre la carcasa de la batería y la batería se encogerá y expandirá durante el proceso de tensión. El espesor y la fuerza probados son loshinchazóny contracción de litio intercalación y desorción de electrodos y lahinchazóny la contracción de otros componentes son el resultado combinado. En este documento, los modos de prueba de presión constante y separación constante se utilizan para estudiar la correlación entre el monómero y el módulo.

Figura 3 Tres modos de prueba de hinchamiento de la unidad de celda y módulo.

2.1 Exploración sobre la correlación entre el espesor de hinchamiento del monómero y el módulo

Como se muestra en la Figura 4, para simular la capa intermedia entre las celdas individuales, se pegó una película de PET blanca sobre las celdas antes de la prueba. El método de prueba de superposición de celdas se muestra en la Figura 5. Encienda el analizador de hinchamiento in situ (SWE2110), configure el modo de presión constante de 200 kg, cargue y descargue en paralelo, y pruebe los cambios de espesor de hinchamiento de celdas individuales y celdas apiladas. in situ, como se muestra en la Figura 6: la línea continua es la curva de expansión eléctrica real del núcleo, la línea punteada es la curva de superposición ajustada (suma aritmética). A partir de los resultados, tanto la celda individual como la celda apilada muestran el fenómeno de hinchamiento de carga y contracción de descarga, que se debe principalmente al hinchamiento y contracción estructural del grafito y los materiales ternarios causados ​​por el proceso de desintercalación del litio.

Figura 4. Diagrama esquemático de batería con film PET

Figura 5. Diagrama esquemático de la superposición de celdas

Figura 6. Curvas de variación del espesor de hinchamiento de cada celda de la batería y después de la superposición

2.2 Exploración sobre la relación entre la fuerza de hinchamiento del monómero y el módulo

Configure el modo de espacio constante, cargue y descargue en paralelo, y pruebe elhinchazóncambios de fuerza de la celda individual y la celda apilada en el proceso de carga y descarga in situ, como se muestra en la Figura 7. A partir de los resultados, a medida que aumenta el número de celdas apiladas en el módulo, la fuerza de expansión total del módulo continúa aumentando. aumentar, pero el valor absoluto de la fuerza de hinchamiento de la celda del módulo no tiene una relación múltiple con la fuerza de hinchamiento de la celda individual. Es más pequeño que la suma de las fuerzas de hinchamiento de múltiples celdas individuales, y cuantas más celdas se apilan, mayor es la diferencia en valor absoluto. Esta puede ser la condición límite para controlar la brecha constante, lo que hará que las celdas del módulo El estado de la celda de la batería sea diferente al de una sola celda de la batería cuando está cargada y descargada, lo que afecta el rendimiento electroquímico. y la razón de la diferencia necesita ser explorada más a fondo. La capacidad de las celdas individuales antes del agrupamiento y la capacidad de las celdas individuales después del agrupamiento se pueden tener en cuenta y comparar al mismo tiempo. La presión después del apilamiento no aumenta linealmente, lo que puede deberse a que la presión superpuesta de las celdas después del apilamiento alcanza un valor crítico. ¡Comprimir el espacio entre las piezas polares o incluso las dimensiones más microscópicas se verá reflejado en el rendimiento de la batería!

Figura 7. Curva de variación dehinchazónfuerza de cada celda de la batería y superposición

De los resultados anteriores, el módulo o PACK está instalado de forma fija en la carcasa del paquete de baterías, y las juntas entre las celdas individuales tendrán un impacto relativamente grande en la fuerza general yhinchazóndel módulo El excelente diseño del módulo de la batería puede eliminar lahinchazónde células individuales. Recientemente, la batería Kirin lanzada por CATL integra las necesidades de uso, combinando las vigas horizontales y verticales, las placas enfriadas por agua y las almohadillas de aislamiento térmico en una sola e integrándolas en una capa intermedia elástica multifuncional. Un dispositivo de conexión de micropuente está integrado en la capa intermedia, que puede cooperar de manera flexible con la respiración del núcleo de la batería para expandirse y contraerse libremente y mejorar la confiabilidad del ciclo de vida de la batería.

Figura 8. Capa intermedia elástica multifuncional de la batería Kirin en CATL

3. Resumen

En este documento, el analizador de hinchamiento in situ (SWE) se utiliza para analizar el espesor de hinchamiento y la fuerza de hinchamiento de la misma celda individual del sistema y diferentes números de celdas de módulo durante el proceso de carga y descarga. Se encuentra que el espesor de expansión de las celdas del módulo bajo el modo de presión constante La tendencia de cambio se puede ajustar mediante la suma aritmética de una sola celda, pero el método de ajuste aritmético simple no se cumple en el modo de espacio constante, que es diferente de la fuerza de la celda individual en el modo de medición de las dos condiciones de contorno. El siguiente paso Puede continuar explorando el modelo de fuerza bajo diferentes modos de prueba y analizar el proceso de expansión del electrodo con más detalle.

Literatura de referencia

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