L'influence du taux de charge sur le gaz de surcharge de la cellule

L'électrolyte est l'un des quatre principaux matériaux des batteries lithium-ion. Il a un impact important sur la production de gaz lors de la surcharge des batteries lithium-ion. Le choix d'une formulation d'électrolyte appropriée peut réparer en continu les dommages SEI de la batterie pendant le cycle et maintenir les électrodes. La stabilité structurelle du matériau maintient la capacité cellulaire et les performances dynamiques. Du point de vue des solvants, des sels de lithium et des additifs, l'amélioration de la sécurité des électrolytes lors de leur utilisation est une direction importante de la recherche sur les électrolytes. Étant donné que chaque composant d'électrolyte a son propre potentiel de réaction électrochimique, s'il atteint ce potentiel, une réaction électrochimique se produira et une certaine quantité de gaz sera générée en même temps, provoquant l'expansion du volume de la cellule, voire une explosion.^1-3. La tension de la batterie est plus élevée en cas de surcharge, ce qui est plus susceptible de provoquer la décomposition des solvants et des additifs dans l'électrolyte, entraînant la production de gaz, mais des taux de charge différents affecteront le potentiel de démarrage de la production de gaz et le volume de production de gaz. Dans cet article, un moniteur de volume in situ (GVM) est utilisé pour effectuer un test de volume de surcharge in situ dans différentes conditions de taux de charge (0,5 C/1,0 C/2,0 C/3,0 C) sur des batteries au lithium cobaltate/graphite (valeurs théoriques capacité 1000mAh), et comparer et analyser le comportement de production de gaz cellulaire.

Figure 1.Schéma de principe des modes de défaillance des batteries lithium-ion¹

Matériel expérimental et méthodes d'essai

1. Équipement expérimental : Modèle GVM2200 (IEST), la plage de température de test est de 20℃~85℃, et il prend en charge les tests synchrones à double canal. L'apparence de l'équipement est illustrée à la figure 2.

Figure 2.Apparence de l'équipement GVM2200

2. Méthode de test : peser initialement la cellule m₀, placez la cellule à tester dans le canal correspondant de l'appareil, ouvrez le logiciel MISG, définissez le numéro de cellule et les paramètres de fréquence d'échantillonnage correspondant à chaque canal, et le logiciel lit automatiquement le changement de volume et teste des données telles que la température, le courant, tension, capacité, etc.。

Surveillance in situ du comportement de génération de gaz des batteries lithium-ion

1．Analyse de la courbe de charge et de décharge et de la courbe de changement de volume

La courbe de changement de volume, la tension et la courbe de capacité différentielle de la cellule sont illustrées à la figure 3(a)(b)(c). Différents taux de charge sont utilisés pour surcharger les cellules de la batterie à 5V avec un courant constant. On peut voir sur la figure 3 (a) que lorsque le taux de charge augmente, la capacité de charge correspondante diminue lorsque la batterie est surchargée à 5 V, et la courbe de changement de volume correspondant à 0,5 C et 1,0 C aura un point d'inflexion évident lorsque le la tension est proche de 5V, et la production de gaz va fortement augmenter. On peut voir sur la courbe de capacité différentielle de la figure 3 (b) qu'avec l'augmentation du taux de charge, les deux ensembles de positions de pic de lithium désintercalées aux positions ① et ② se déplacent progressivement vers la droite, indiquant que la polarisation augmente progressivement. La figure 3(c) est la courbe après que la courbe de changement de volume est différenciée par la tension. On peut voir qu'il y a environ trois pics de production de gaz, tandis que les deux ensembles de courbes de 2,0C et 3,0C n'ont presque pas de pics évidents à la troisième position.

Figure 3. La courbe de charge et de décharge de la cellule de la batterie à quatre taux (a) ; la courbe de capacité différentielle (b); la courbe de changement de volume différentiel (c)

2. Analyse de la capacité de la cellule et de la tension du gaz

Le tableau 1 et la figure 4 montrent la capacité de charge de la batterie et les informations de tension du point d'inflexion de la courbe de production de gaz à différents taux. Au fur et à mesure que le taux de charge augmente, la capacité de charge de la cellule diminue progressivement, et lorsque le taux augmente de 2C à 3C, le taux de décroissance de la capacité augmente également. D'après la courbe de production de gaz de la cellule, on peut voir que la production de gaz à un petit régime de 0,5C est nettement supérieure à celle correspondant à un régime supérieur à 1C. En comparant et en analysant la courbe d'atténuation de la capacité et la courbe d'atténuation de la production de gaz, on peut voir qu'avec l'augmentation du taux de charge, la principale raison de l'atténuation de la capacité de la cellule n'est pas l'augmentation de la production de gaz. Cela peut être dû à l'augmentation de la vitesse à laquelle la polarisation cellulaire augmente, ce qui rend plus difficile la désintercalation des ions lithium. On peut voir sur la courbe différentielle du changement de volume que les tensions correspondantes des trois groupes de pics de production de gaz se décalent toutes vers la droite avec l'augmentation du grossissement. Lorsque le grossissement est de 3,0 C, le troisième pic de production de gaz n'apparaît pas, ce qui indique que la polarisation croissante de la cellule de batterie augmente la tension de décomposition des composants de l'électrolyte, ce qui réduit la production de gaz dans la cellule dans son ensemble.

Tableau 1. Capacité de charge des cellules et informations relatives à la production de gaz correspondant à différents grossissements

Figure 4. Courbes d'analyse de la capacité, de la production de gaz et de la tension de production de gaz sous différents grossissements

Résumé

Cet article utilise un moniteur de volume de production de gaz in situ à double canal contrôlable en température pour surveiller le comportement de production de gaz des cellules lithium-ion dans différentes conditions de surcharge. On peut constater que lorsque le taux de charge augmente, la capacité de la cellule diminue. La production de gaz est réduite et la tension initiale de production de gaz est augmentée. L'analyse qualitative ultérieure des composants de production de gaz peut être combinée pour explorer davantage les effets de différents types et contenus de solvants et d'additifs sur la surcharge des cellules de batterie et aider le personnel de R&D à développer un système d'électrolyte fiable plus sûr.

Les références

1. Jing Xie, Yi-Chun Lu. Une rétrospective sur les batteries lithium-ion.Communication Nature(2020) 11:2499.

2. CP Aiken, JR Dahn et al. Un appareil pour l'étude de l'évolution des gaz in situ dans les cellules de poche Li-Ion.J. Electro Soc, 161(2014) A1548-A1554.

3. Randolph A. Leising. Test d'abus des batteries lithium-ion - Caractérisation de la réaction de surcharge des cellules LiCoO2ÕGraphite. Journal de la société électrochimique, 148(8):A838-A844 (2001).