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LFP/Graphite铝壳电芯原位膨胀分析-不同温度条件

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2021-10-08 08:00:00

随着锂离子电池在全球各行各业的普及,各种复杂工况对锂离子电池的可耐温度范围也提出了较高的要求,需要其可适应不同地域的环境温度;温度同时也是影响锂离子电池老化特征和功率性能的关键因子之一:过高的温度会加剧副反应的发生,而过低的温度又会导致负极析锂,影响电池安全性能。电池在不同温度环境中充放电时,正负极锂离子脱嵌、副反应及产气等均会造成电池发生一定程度的膨胀,如何准确定量表征膨胀性能是研发人员的研究方向之一。


本文采用原位膨胀分析仪(SWE)对铝壳LFP/Graphite电芯(理论容量100Ah)进行不同温度条件下(25℃,40℃,70℃)充放电过程的膨胀力变化测试,对比分析电芯膨胀行为。

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图1.LFP材料晶体结构

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1.实验设备与测试方法
1.1测试设备:原位膨胀分析仪,型号SWE2100(IEST元能科技),可施加压力范围50~10000N,可调控温度-20℃~80℃,如图1所示。

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图2. SWE2100设备外观图

1.2   测试参数:

1.2.1 充放电流程:Rest 5min, 1C CC to 3.65V, CV to 0.05C, rest 5min, 1C DC to 2.5V。

1.2.2 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,选择膨胀测试模式为恒间隙测试膨胀力,初始预紧力为20kg,测试启动后软件自动读取电芯厚度、膨胀力、测试温度、电流、电压、容量等数据。


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2.结果分析
铝壳LFP体系电芯在三种温度条件下进行1C充放电测试,膨胀力变化曲线及微分容量曲线如图3所示。从图3(a)可看出,测试温度从25℃升高至40℃和70℃时,充放电过程中的电芯膨胀力均随温度的增加而增加,这可能是由于温度的升高增加了副反应的量而导致电池发生膨胀;对比循环前后,可知25及40℃下电芯完成一个充放电循环后基本恢复初始状态,而70℃下电芯呈现一定程度的不可逆形变,膨胀力从初始的16kg增加至22kg。图3(b)中,充电微分容量曲线的峰电位随温度升高,先左移后右移,这说明在一定温度和压力范围内,温度升高及电芯内部膨胀力的增大有利于减小电池充放电过程的极化,但随着温度和内部膨胀持续升高,锂电池界面间隙减小,导致极化增加。图3(c)为不同温度条件下,充放电过程中的膨胀力回线,随温度的不断增高,电压间隔先减小后增大,与电池的极化先减小后增大的趋势相对应。此外,对(a)和(c)图的膨胀力曲线进一步分析可知:在充电过程3.3~3.4V内,膨胀力先增加后减小又增大,放电过程3.15~3.25V内,膨胀力先减小后增大又减小。充电过程膨胀力出现减小的现象可能是随着锂离子从正极脱出, Li(1-x)FePO4体积减小,导致负极石墨嵌锂后的体积膨胀被正极一侧的体积收缩抵消,电池整体膨胀减小,进而呈现出膨胀力减小的现象,而放电过程与之相反。

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图3.电芯在三种温度条件下充放电曲线和膨胀曲线


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3.总结

本文采用原位膨胀分析仪(SWE)对LFP体系电芯在不同温度条件下充放电过程中的膨胀力进行分析,结果发现,测试温度从25℃升高至40℃和70℃,电芯的膨胀力逐渐增加,而电池的极化先减小后增加,且在充放电过程中由于正极LiFePO4与负极石墨的膨胀相反,使膨胀力曲线出现一个小峰。本文的测试结果说明铝壳电池在充电过程中也会出现类似软包电池的顶壳现象,使电池表面的膨胀厚度或者膨胀力增大。


此外,该研究结果初步揭示了不同温度下LFP/Graphite电芯膨胀变化情况,为研究动力电池包中由于温场分布差异导致的膨胀力和动力学变化提供了一种思路,进而为进一步完善电池包设计和热管理等提供更系统的数据支持。

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参考文献

1.XiujuanWei, Xuanpeng Wang, Qinyou An, Chunhua Han and Liqiang Mai. Operando X-rayDiffraction Characterization for Understanding the Intrinsic ElectrochemicalMechanism in Rechargeable Battery Materials Small Methods, 2017, 1700083.

2. K Zeli,T Katranik.Thermodynamically consistent derivationof chemical potential of a battery solid particle from the regular solutiontheory applied to LiFePO4. Scientific Reports, 2019, 9:2123.


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