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磷酸铁锂体系动力电芯膨胀厚度与膨胀力分析

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2021-07-04 09:00:00


LFP体系电芯因为高的安全性和稳定性,常被用于作为大功率或高安全性需求的动力电车或储能装置。随着单体电芯容量的升高,其在充放电过程中的膨胀也会增大,通常分析电芯的膨胀行为,会使用电芯膨胀厚度或膨胀力参数,但这两种的测试模式是不同的,我们之前也已经分析过钴酸锂体系电芯这两方面的差异1,可参考文章《软包电芯原位膨胀分析-恒压力Vs恒间隙》。本文对大容量的LFP电芯进行膨胀厚度和膨胀力对比分析,探究其在充放电过程的膨胀行为。

 

1.原位XRD表征不同材料的晶格变化1

 

² 实验设备与测试方法

1. 实验设备

1.1 原位膨胀分析仪,型号SWE2110(IEST元能科技,设备外观如图2所示。

 

1. SWE2110设备外观图

2. 测试流程

2.1 电芯信息如表1所示。

 

1. 测试电芯信息

2.2 充放电流程:25℃ Rest 5min; 1C CC to 3.65V, CV to 0.025C; rest 5min; 1C DC to 2.5V

2.3电芯厚度膨胀测试:将待测电放入设备对应通道,开启MISS软件,设置各通道对应电芯编号和采样频率参数,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 原位分析LFP体系电芯膨胀行为

1. 设备稳定性验证

本文采用原位膨胀设备的两个不同的测试模式,恒定压力条件下测试电芯膨胀厚度变化,以及恒定间隙条件下测试电芯膨胀力变化。有关设备控制稳定性的验证如图2所示,当分别设定恒定压力为35kg和400kg时,整个测试过程中压力的波动为±1kg,当设定恒定间隙时,整个测试过程中间隙的变化量在±1µm以内,这说明设备本身的控制精度和稳定是很好的。

 

2 恒定压力和恒定间隙时控制力和间隙的稳定性曲线

 

2. 两种不同压力条件下膨胀厚度曲线

3为电芯的充放电曲线、微分容量曲线以及厚度膨胀曲线。对LFP/石墨体系电芯来说,在充电过程中,厚度曲线还会出现稍微下降的现象,且厚度下降出现在石墨第二个嵌锂电位处,这很可能与锂离子从橄榄石结构的LFP材料中脱出时,因此正极一侧厚度减小,进而抵消了负极嵌锂的厚度增加,因此电芯整体表现出厚度减小的现象,这可借助原位XRD做进一步分析。当给电芯施加不同的恒定压力时,电芯的最大膨胀厚度随压力的增大而增大。

 

3 电芯的充放电曲线、微分容量曲线以及厚度膨胀曲线

3. 充放电过程中膨胀力与膨胀厚度曲线对比

4为电芯在两种不同测试模式条件下膨胀力与膨胀厚度曲线对比。充放电过程中,力和厚度的膨胀趋势是相同的,且在25%~70%SOC区间范围内出现充电时下降,放电时增加的现象,该区间范围是主要的脱嵌锂相变区间,也是电芯内阻相对较小的区间,如何进一步分析正负极的膨胀收缩机理,还需结合其他表征方法联合研究。

 

4 两种不同测试模式条件下膨胀力与膨胀厚度曲线对比

² 总结

本文采用原位膨胀分析仪(SWE)对大容量的LFP电芯进行膨胀厚度和膨胀力对比分析,发现在充放电过程中,力和厚度的膨胀趋势是相同的,且在25%~70%SOC区间范围内出现充电时下降,放电时增加的现象如何进一步分析正负极的膨胀收缩机理,还需结合其他表征方法联合研究。

 

² 参考资料

1. Xiujuan Wei, Xuanpeng Wang, Qinyou An, Chunhua Han, and Liqiang Mai. Operando X-ray Diffraction Characterization for Understanding the Intrinsic Electrochemical Mechanism in Rechargeable Battery Materials  Small Methods 2017, 1700083.


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