Eficiencia de carga/descarga y espesor de hinchamiento de la evaluación del rendimiento de la celda tipo moneda modelo

Las baterías de iones de litio se han utilizado ampliamente en todos los aspectos de la vida, como los teléfonos móviles, los automóviles o el almacenamiento de energía doméstico, etc. Por lo tanto, es particularmente importante evaluar los distintos rendimientos de las baterías de iones de litio. Sabemos que las baterías de litio se expandirán o encogerán durante la carga y la descarga, por lo que al diseñar módulos de baterías de litio, el parámetro de expansión es uno de los parámetros importantes que deben tenerse en cuenta. Además, con la aparición de una nueva generación de electrodos negativos con alta capacidad específica (como los electrodos negativos basados ​​en silicio o los electrodos negativos de metal litio), su hinchamiento estructural es mucho más evidente que el detradicionalelectrodos negativos de grafito^[1,2], Por lo tanto, cada vez más empresas se centran en la evaluación de laaumento del rendimiento de las baterías de litio.

Por lo general, los investigadores tienen que preparar el electrodo en baterías terminadas de una o varias capas para evaluar la hinchazón. Este método tiene un ciclo de prueba largo, baja eficiencia de evaluación y consume muchos recursos, lo que afecta seriamente el proceso de desarrollo de nuevos materiales. Recientemente, IEST utilizó de manera innovadora el modelo de celda de moneda para evaluar el comportamiento de expansión del electrodo de la batería, lo que acorta en gran medida el ciclo de evaluación del rendimiento de expansión del material y puede ahorrar una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales para preparar baterías para universidades o empresas. Para este modelo de batería de celda de moneda, los usuarios están más preocupados por si su eficiencia de ciclo es comparable a la de un paquete de batería de carcasa de acero tradicional. y si el cambio de espesor de hinchamiento medido por el modelo de batería de celda de moneda es comparable al de la batería terminada. Por esta preocupación, este artículo proporciona los datos de comparación correspondientes basados ​​en estos dos aspectos, lo cual es conveniente para que los usuarios evalúen y elijan.

1. Condición de prueba

1.1 Equipo de prueba: Este artículo utiliza el modelo de batería de botón de IEST y coopera con el sistema de detección rápida in situ de expansión de electrodos negativos basado en silicio (RSS1400, IEST) para llevar a cabo la prueba de carga y descarga y la prueba de expansión de las baterías modernas de celda tipo moneda y de bolsa.

Figura 1. Sistema de cribado rápido in situ de expansión de ánodo basado en silicio (RSS1400)

1.2 Condiciones de prueba de carga y descarga

①UsarBatería de celda de moneda modelo IESTpara ensamblar la batería de media celda de moneda NCM//Li y la batería completa de celda de moneda NCM//SiC, y realizar una carga y descarga de 3 ciclos a una velocidad de 01C, lo cual es conveniente para la comparación posterior entre las baterías comerciales de botón con carcasa de acero y el rendimiento de Baterías apiladas de celdas de bolsa de una sola capa.

②Utilice la carcasa de acero comercial 2032 para ensamblar la media batería de botón de NCM//Li y realice 3 ciclos de carga y descarga a razón de 01C.

③ Ensamble las baterías laminadas de celda de bolsa de una sola capa NCM//SiC y realice 3 ciclos de carga y descarga a una velocidad de 01C.

1.3 Condiciones de prueba de hinchamiento celular

La batería completa tipo botón modelo NCM//SiC y la batería laminada de celda de bolsa de una sola capa se colocan en el sistema de detección rápida in situ de expansión de ánodo basado en silicio (RSS1400, IEST). Después de aplicar una precarga inicial de 5 kg, los cambios de espesor de expansión de los dos fueron monitoreados en tiempo real durante el proceso de carga y descarga de 01C.

2. Análisis de resultados

2.1Comparación de la eficiencia de carga y descarga entre la batería de celda de moneda modelo IEST y la batería de celda de moneda de carcasa de acero comercial 2032. 

La imagen de la izquierda de la Figura 2 es la celda tipo moneda del modelo IEST, y la imagen de la derecha es la celda tipo moneda con armazón de acero 2032 comercial. Usamos electrodos positivos ternarios del mismo tamaño y composición para ensamblar un par de medias celdas de moneda de hoja de litio y comparamos las eficiencias de Coulombic de los dos a tasas de carga y descarga de 01C, los resultados se muestran en la Tabla 1. Puede ser visto en la figura que el primer efecto de la celda de moneda modelo es de aproximadamente 89,13%, que es solo alrededor de 0,718% más bajo que la celda de moneda de acero comercial, la eficiencia máxima del ciclo de la segunda y tercera vueltas es solo alrededor de 1,28% más bajo que eso del botón de carcasa de acero comercial. Además, el COV de eficiencia de ciclo máximo del botón modelo y el botón de caja de acero para tres ciclos es solo del 0,65% (donde COV=desviación estándar/promedio*100, en general, si COV<5%,

Figura 2. La imagen de la izquierda es el botón modelo de IEST; la imagen de la derecha es el botón de carcasa de acero comercial 2032.

Tabla 1. Comparación de la eficiencia del ciclo entre los botones de media celda del modelo NCM//Li y los botones comerciales de carcasa de acero

2.2 Comparación de loshinchazónGrosor de la batería de tipo botón y la batería de bolsa del modelo IEST

La imagen de la izquierda de la Figura 3 es la batería de celda de moneda modelo IEST, y la imagen de la derecha es una batería laminada de celda de bolsa de una sola capa. Los dos usan la misma composición de electrodo positivo ternario y electrodo negativo de carbono de silicio para ensamblar una batería completa y monitorear el cambio de espesor de expansión de los dos durante el proceso de carga y descarga de 01C en tiempo real. La curva de voltaje y la curva de expansión del espesor de los dos se muestran en la Figura 4, la eficiencia específica del ciclo completo de la batería y la comparación del espesor de expansión se muestran en la Tabla 2 y la Tabla 3, respectivamente. Se puede ver en la Figura 4 que, ya sea la curva de voltaje durante el proceso de carga y descarga o la curva de expansión del espesor, el modelo de batería de celda de moneda y la batería laminada de celda de bolsa muestran una buena consistencia. En la tabla 2 se puede ver que, la primera eficiencia del modelo de batería de celda de moneda y la batería laminada de celda de bolsa es 41,82% y 42,42%, respectivamente, y la eficiencia del ciclo de los dos últimos ciclos es solo 0,12% diferente; Sin embargo, se puede ver en la Tabla 3 que la tasa de hinchamiento del espesor COV de los dos círculos también está dentro del 3,5 %, lo que indica que la tasa de hinchamiento del espesor de los dos también tiene una buena consistencia.

Figura 3. La imagen de la izquierda es la batería de botón del modelo IEST; la imagen de la derecha es la batería laminada de bolsa de una sola capa.

Figura 4. Las líneas azules punteadas y sólidas son la curva de voltaje y la curva de expansión del espesor del botón modelo, respectivamente;

Las líneas continuas y punteadas de color naranja son la curva de voltaje y el grosor.hinchazóncurva de la batería laminada de bolsa de una sola capa, respectivamente.

Tabla 2. Comparación de la eficiencia del ciclo entre la batería completa tipo botón del modelo NCM//SiC y la batería laminada de bolsa de una sola capa

Tabla 3. Comparación del espesor de expansión de la batería completa de botón modelo NCM//SiC y la batería laminada de bolsa de una sola capa

3. Resumen

Este documento evalúa el rendimiento de carga y descarga y el espesor de hinchamiento de la celda tipo moneda del modelo IEST. Se puede ver a partir de los resultados que la eficiencia de carga y descarga del ciclo de la celda de moneda modelo es básicamente la misma que la de la celda de moneda de carcasa de acero comercial 2032, la tasa de expansión del espesor durante el ciclo de 3 ciclos también es básicamente consistente con la resultados de prueba de la batería laminada de celda de bolsa de una sola capa, lo que indica que la batería de celda de moneda modelo IEST tiene una buena eficiencia de carga-descarga de ciclo y un efecto de evaluación de hinchazón. Este artículo recomienda el uso de un sistema C de cribado rápido in situ de expansión de electrodo negativo basado en silicio (RSS1400, IEST) para usar con este modelo, y su precisión de prueba de expansión de espesor es de 0,1 μm, la resolución puede alcanzar 0,01 μm,

4. Materiales de referencia

[1] J. Lin, L. Wang, QS Xie, Q. Luo, DL Peng, CB Mullins y A. Heller, La pasivación similar al acero inoxidable inspira ánodos de silicio persistentes para baterías de iones de litio. Angew. química 135 (2023) e202216557.

[2] M. Ashuri, QR He y LL Shaw, El silicio como material de ánodo potencial para baterías de iones de litio: donde el tamaño, la geometría y la estructura importan. Nanoescala 8 (2016) 74–103.