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三元电芯原位膨胀应力分析-不同预紧力

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览:72 发表时间:2020-12-28 11:48:14

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,电芯内部会出现应力逐渐增加的现象,若应力累积到一定程度,会导致颗粒破碎或析锂,降低电芯可使用容量和寿命1-2。电池在封装至电动汽车或3C电子产品中时,由于外壳或其他部件的空间限制,使其受到不同程度的挤压,从而影响电池在后续使用过程的性能变化。本文采用原位膨胀分析仪(SWE),对NCM523/石墨电芯(3446106,理论容量2400mAh)进行不同初始预紧力条件下(100N/1000N/5000N)的充放电应力测试,对比分析电芯膨胀行为。

 

图1.颗粒破碎的几种形式1





实验设备与测试方法




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。

 

图2. SWE2110设备外观图

2. 测试参数:

2.1 充放电流程:25℃ rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.05C; rest 5min; 0.5C DC to 2.8V。

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。





数据分析




1. 充放电过程电芯膨胀曲线

电芯在3种初始预紧力条件下进行0.5C充放电测试,膨胀曲线及微分容量曲线如图3所示。随着初始预紧力的增加,电芯在充放电过程中的应力变化量也增加,这主要是由于预紧力越大,电芯初始厚度越小,电池在脱嵌锂过程中的结构膨胀会被限制的程度越大。从微分容量曲线可以看出,随着预紧力的增加,充电时脱嵌锂的峰位右移,极化增大,说明膨胀应力的增加会抑制锂离子的脱嵌反应,影响电池动力学性能。

 

 

图3.电芯在3种预紧力条件下(a)充放电曲线和膨胀曲线;(b)微分容量曲线

2. 充放电过程不可逆膨胀应力分析

电芯在3种预紧力条件下的应力变化与SOC曲线,如图4。相同SOC条件下,充电过程的应力变化量大于放电过程,两者之间的差值为可恢复的应力值,这可能是由于在恒压阶段,有部分沉积在负极表面的锂进一步溶解进入负极结构中,从而减小了一部分电极表面应力。随着预紧力的增加,也可看到应力变化量是增加的,这是造成电池极化增加的主要原因。

 

图4. 3种预紧力条件下不同SOC的应力变化曲线




总结

           

     

本文采用原位膨胀分析仪(SWE)对NCM523电芯在不同预紧力条件下充放电过程的膨胀应力进行分析。在5000N范围内,随着预紧力的增加,电芯的膨胀应力逐渐增大,从而导致了电芯极化增大,动力学性能变差,因此,在设计电芯封装或使用过程中,一定要注意初始预紧力的影响。


参考资料


1. Thomas M. M. Heenan, Paul R. Shearing*, Identifying the Origins of Microstructural Defects Such as Cracking within Ni-Rich NMC811 Cathode Particles for Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 2002655.

 2. Dai H, Yu C, Wei X, Sun Z, State of charge estimation for lithium-ion pouch batteries based on stress measurement, Energy (2017).



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