Effet de différentes limites de rigidité (mode linéaire) sur les performances de la cellule

Pendant le processus de charge et de décharge des batteries lithium-ion, les matériaux des électrodes positives et négatives continuent de désintercaler le lithium, ce qui entraîne des changements de volume de particules, accompagnés de changements d'épaisseur des cellules de la batterie, en même temps, avec le vieillissement du cellule de batterie, l'épaisseur de la cellule de batterie augmentera également avec l'épaississement du film SEI, la production de gaz et le dépôt de lithium. Si la cellule de batterie est confinée dans un espace fixe (scénario d'application pratique), une certaine force (force de gonflement) sera générée sur la paroi extérieure de l'espace, et cette force de gonflement affectera les performances de cycle et la sécurité de la cellule de batterie. Généralement, les composants qui limitent l'espace des cellules de la batterie ont une certaine rigidité, et ils subiront également certaines déformations, tels que la coque du pack batterie ou les fixations du module. Prenons le ressort comme exemple pour illustrer le concept de rigidité. La raideur K du ressort est définie comme le rapport de la force du ressort F sur sa déformation δ, c'est-à-dire K=F/δ. On considère généralement que la raideur k est une constante, en supposant que la coque du bloc-batterie est une plaque métallique et que la batterie est limitée dans un espace fixe. L'épaisseur de la plaque métallique est H, le module d'élasticité est E et l'aire de la plaque métallique est A. Si la force requise est F sous déformation δ, alors : On considère généralement que la raideur k est une constante, en supposant que la coque du bloc-batterie est une plaque métallique et que la batterie est limitée dans un espace fixe. L'épaisseur de la plaque métallique est H, le module d'élasticité est E et l'aire de la plaque métallique est A. Si la force requise est F sous déformation δ, alors : On considère généralement que la raideur k est une constante, en supposant que la coque du bloc-batterie est une plaque métallique et que la batterie est limitée dans un espace fixe. L'épaisseur de la plaque métallique est H, le module d'élasticité est E et l'aire de la plaque métallique est A. Si la force requise est F sous déformation δ, alors :

La déformation de la plaque métallique est : ε=δ/H.

La contrainte de la plaque métallique est : σ=Eε=Eδ/H.

La force appliquée sur la plaque métallique est : F = Aσ = AEδ / H.

Alors, la rigidité de la plaque métallique est : K=F/δ=AE/H.

Par conséquent, l'amplitude de la rigidité dépend de la géométrie de la pièce ou de l'élément structurel (telle que l'épaisseur H et la surface A de la plaque métallique) et du type de matériau (c'est-à-dire le module d'élasticité E du matériau).

L'analyseur de gonflement in situ (SWE) lancé par l'IEST dispose de modes de test à pression constante et à écart constant, qui peuvent surveiller l'évolution de l'épaisseur de la cellule sous pression constante ou surveiller le changement de pression sous un écart de déplacement constant limité. Ces deux modes peuvent détecter efficacement le processus de gonflement de la batterie, mais ne tiennent pas compte de la déformation de la structure elle-même dans le scénario d'application réel. Par conséquent, en termes de simulation rapide de l'influence des différents degrés de confinement sur les performances de la batterie, IEST in-situgonflementanalyseur (SWE) a introduit un nouveau mode de contrôle (linéairegonflementmode): En ajustant la taille de la valeur de linéarité K (rapport pression sur épaisseur), pour réaliser la simulation des contraintes de différentes limites de rigidité sur la cellule, et en même temps surveiller la pression, l'épaisseur, les propriétés électriques et d'autres paramètres in situ . Dans cet article, deux valeurs K différentes et des expériences en mode d'écart constant ont été sélectionnées et les différences d'impact sur la durée de vie de la batterie entre les trois ont été comparées et analysées.

1 Informations sur les tests

1.1 Équipement d'essai

Sur sitegonflementL'analyseur, modèle SWE2110 (IEST), peut appliquer une plage de pression de 50 ~ 10000N et peut contrôler la température de -20 ℃ ~ 80 ℃. La figure 1 montre l'apparence de l'appareil.

Figure 1. Schéma de principe de l'analyseur de gonflement in situ

1.2 Paramètres de test

1.2.1 Les informations sur la batterie sont présentées dans le tableau 1

1.2.2 Processus de charge et décharge : 10 min à 25°C ; chargez à 1.0C à 4.2V, continuez à charger à tension constante après avoir atteint la tension de coupure, courant de coupure 0,05C; mettre de côté pendant 10 min, décharger à 1,0 C, tension de coupure 3,0 V et démarrer l'analyseur de gonflement in situ simultanément, le logiciel lit automatiquement les données telles que l'épaisseur de gonflement des cellules, la force d'expansion, le courant, la tension et la capacité.

1.2.3 Explication du mode de gonflement linéaire : la valeur K est en kg/mm, et les valeurs de réglage dans cette expérience sont 500kg/mm ​​et 2000kg/mm, afin de simuler legonflementprocessus de la batterie dans la scène des pièces structurelles limitées dans l'espace de la batterie avec différentes formes géométriques et modules élastiques ; La régulation de la valeur K n'est activée que pendant le processus de charge et de décharge de la batterie. Le mode de pression constante ou le mode d'écart constant peut être défini pendant le processus de stockage du cœur de la batterie. Dans cette expérience, le seuil de départ du mode de gonflement linéaire est que le changement d'épaisseur est supérieur à 3 μm et le changement de pression est supérieur à 0,5 kg, et le mode d'écart constant est défini pendant le processus de mise en rayon des cellules de batterie.

2. Analyse des résultats

Sélectionnez trois cellules parallèles, démarrez le système d'analyse de gonflement in situ, sélectionnez l'expérience de mode de test correspondant (écart constant, mode linéaire), définissez la force de précharge initiale de 100 kg et testez les paramètres d'épaisseur, de pression et de performance électrique en temps réel de manière synchrone, l'expérience a été arrêtée lorsqu'elle a atteint 80 % de la capacité initiale. Comme le montre la figure 2 : l'espace de gonflement de la batterie est limité en mode d'écart constant, et l'écart est contrôlé dans la plage de ± 1 μm et la force de gonflement augmente continuellement avec le cycle ; Le mode de gonflement linéaire simule la présence d'une certaine rigidité dans les parties structurelles qui limitent l'espace de la batterie (telles que différentes épaisseurs et matériau plaque métallique), la force de gonflement et l'épaisseur de gonflement changent en temps réel pendant le processus de cycle, qui est plus proche de la scène d'application réelle. De même, à mesure que le coefficient de gonflement linéaire (valeur K) change, la force de gonflement et l'épaisseur de gonflement présentent différentes quantités de changement. Lorsque K = 2000, cela signifie que la rigidité de la partie structurelle est grande, c'est-à-dire que le module d'élasticité est grand sous la même géométrie, et la déformation de la partie structurelle elle-même est plus petite, donc la pression est plus élevée lorsque la batterie se dilate . Lorsque K = 500, cela signifie que la rigidité de la partie structurelle est plus petite, c'est-à-dire que le module d'élasticité est petit et que la déformation de la partie structurelle elle-même est plus grande. Par conséquent, lorsque la batterie se dilate, le changement d'épaisseur sera plus important et la pression sera plus faible. Dans le même temps, il a été constaté que différentes valeurs de K avaient des réponses différentes au contrôle de l'équipement.

Figure 2. Tendance des variations de pression et d'épaisseur de deux modes de test

Le mode linéaire (K500) sélectionne les 5 premiers cycles et analyse la relation entre la tension, la pression, l'épaisseur et la valeur K au fil du temps, comme illustré à la Figure 3 : Au fur et à mesure que la charge et la décharge progressent, la pression et l'épaisseur de la cellule présentent des changements périodiques. , et la pression et l'épaisseur sont linéaires. Cela montre qu'il est possible de simulergonflementet processus de contraction de la batterie dans la scène réelle de l'élément structurel contraint avec une valeur de rigidité K = 500.

Figure 3. Courbes de changement de tension, pression, épaisseur et valeur K (5 premiers cycles)

Si la cellulegonflementl'épaisseur et la force de gonflement sont associées au taux de rétention de la capacité, les variations maximales de pression et d'épaisseur au cours de chaque cycle sont extraites, comme le montre la figure 4 (le taux de rétention de la capacité en trait plein, la ligne pointillée représente la pression et l'épaisseur) : Comme la cellule âges, le maximumgonflementforce de la cellule dans le linéairegonflementmontre une tendance décroissante dans son ensemble et le maximumgonflementl'épaisseur a tendance à augmenter ; Legonflementla force de la cellule dans le mode d'écart constant montre une tendance à la hausse et lagonflementla valeur de force est la plus grande parmi les trois modes. Une augmentation de la pression externe de la cellule augmentera la densité relative et la surface de contact entre le matériau actif et le diaphragme et réduira également la résistance d'interface et certaines réactions secondaires à l'interface. Dans le même temps, les paramètres de l'électrode tels que la taille des pores et la porosité de l'électrode seront également modifiés pour affecter la capacité de transmission des ions de la cellule pendant la charge et la décharge. En mode linéaire (K500) et en mode d'écart constant, la courbe de rétention de capacité a une"point d'inflexion", et cette partie du mécanisme nécessite une analyse et une vérification plus approfondies pour être corrélée avec la pression externe.

Figure 4. (a) Rétention de capacité et courbe de force de gonflement maximale (b) Rétention de capacité et maximumgonflementcourbe de variation d'épaisseur

Si nous analysons plus en détail le cycle du premier virage (BOL) et le cycle du dernier virage (EOL) de chaque mode, comme illustré à la Figure 5 : Legonflementla force d'EOL en mode linéaire est plus petite que celle de BOL, mais l'inverse est vrai pour un jeu constant, ce qui montre que différentes méthodes de contrôle ont une grande influence sur le maximumgonflementforce. De plus, la différence entre le maximumgonflementL'épaisseur d'EOL et l'épaisseur initiale de BOL peuvent également être comparées, de manière à corréler avec le choix de l'épaisseur du coton de rembourrage dans le module PACK pour s'assurer que le module a une résistance mécanique appropriée tout au long du cycle de vie.

Figure 5. Trois modes de courbes de force de gonflement et d'épaisseur de gonflement des cellules BOL et EOL (la ligne continue représente l'épaisseur, la ligne pointillée représente la pression)

3. Résumé

Dans cet article, le mode linéaire de l'in-situgonflementL'analyseur (SWE2110) est utilisé pour simuler la liaison de matériaux de rigidité différente à la cellule et pour surveiller les changements d'épaisseur de gonflement etgonflementtout au long du cycle de vie, rapprocher les résultats expérimentaux des conditions réelles de travail et aider les concepteurs à concevoir des solutions plus adaptées.

4. Références

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