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三元电芯原位膨胀分析-不同充电倍率

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览:76 发表时间:2020-12-14 13:56:49

锂离子电芯在充放电过程中,随着锂离子的不断嵌入和脱出,电芯厚度会出现一定程度的膨胀和收缩,由于正负极材料的脱嵌锂过程是不完全可逆的,随着循环的增加,电芯的不可逆厚度也会不断增加1-3。充电倍率越大,代表电流密度越大,发生反应的锂离子浓度越大,若倍率太大则会导致负极表面积聚大量锂离子,易造成锂离子在负极表面析出,增大电池厚度膨胀。图1是从不同维度分析锂沉积过程的示意图4。本文采用原位膨胀分析仪(SWE),对NCM523/石墨电芯(3446106,理论容量2400mAh)进行不同充电倍率条件下(0.04C/0.2C/0.5C/1.0C/1.5C)厚度测试,对比分析电芯膨胀行为。

 

1. 析锂示意图4


² 测试信息

1. 测试设备:原位膨胀分析仪,型号SWE2110(IEST元能科技),可施加压力范围50~10000N,设备外观如图2所示。

 

2. SWE2110设备外观图


2. 测试参数:

2.1充放电测试:25℃,电压范围2.8~4.35V,理论容量2400mAh,充电倍率分别为0.04C/0.2C/0.5C/1.0C/1.5C,放电倍率均为0.5C。

2.2电芯厚度膨胀测试:将待测电芯放入设备对应通道,开启MISS软件,设置各通道对应电芯编号,采样频率,测试压力等参数,软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。

² 结果分析

1. 充放电曲线分析

电芯的充放电曲线及微分容量曲线如图3(a)3(b)所示。采用不同的充电倍率对电池进行充电,可看到随着充电倍率的增加,微分容量曲线的峰位右移,这主要是由于大倍率增加了电池极化,使得电化学反应电位增高。当倍率增加到1.5C时,微分容量曲线出现了分峰,这可能由于大倍率导致电池出现部分析锂,而后随着电压升高,析出的锂又会进一步嵌入石墨中。采用0.5C倍率放电时,微分容量曲线的峰位和峰强都几乎一致,说明经过不同倍率充电后,在不发生死锂的前提下,小倍率放电均可恢复至最初容量。

 

 

3.电芯在5种倍率下充放电曲线(a)和微分容量曲线(b)


2. 膨胀曲线与微分容量曲线分析

电芯的厚度变化曲线与电压及微分容量曲线的对应如图4(a)4 (b)所示。采用不同的充电倍率对电池进行充电,从图4(a)可看出,随着循环圈数的增加,每一圈的初始厚度均增加,这说明经过不同的倍率的充放电后,存在一定的不可逆结构相变导致的厚度膨胀。在倍率小于0.5C时,恒压充电时电池厚度是增加的,但当倍率增大到1.0C1.5C时,恒压充电阶段会出现厚度减小的现象,这可能是随着恒压时电流的减小,电池内部极化逐渐减小,负极结构中的锂浓度分布逐渐均匀,表现出电池厚度减小。从图4(b)的微分容量曲线与电池厚度变化量曲线的对应上可看出,厚度曲线斜率的变化均与微分容量曲线的峰一一对应,且随着充电倍率的增大,厚度增长速率也相应增大。

 

 

4.电芯在5种倍率下厚度&电压曲线(a)和微分容量&厚度曲线(b)

² 总结

本文采用原位膨胀分析仪(SWE)对NCM523电芯在不同充电倍率条件下充放电过程中的厚度膨胀进行分析。随着充电倍率的增加,电芯的厚度变化量增加,且厚度变化曲线的斜率也增加,后续可进一步探究充电倍率与析锂及电池厚度膨胀的关系。

² 参考资料


1. Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries. Ind. Eng. Chem. Res, 2020, 59, 27, 12313–12318.

2. Ximing Cheng and Michael Pecht. In Situ Stress Measurement Techniques on Li-ion Battery Electrodes: A Review. Energies, 2017, 10, 591.

3. Amartya Mukhopadhyaya, Anton Tokranova, Xingcheng Xiaoc, Brian W. Sheldona. Stress development due to surface processes in graphite electrodes for Li-ion batteries: A first report. Electrochimica Acta, 2012,66, 28–37.

4. Thomas Waldmann, Björn-Ingo Hogg, Margret Wohlfahrt-Mehrens. Li plating as unwanted side reaction in commercial Li-ion cells – A review. J. Power. Source. 2018, 384:107–124.


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