Analyse in situ du comportement de gonflement en volume et en épaisseur de la cellule de poche

Pour les batteries lithium-ion encapsulées avec un film aluminium-plastique ou une coque en acier, en raison de la limitation de l'espace externe, le gonflement du volume pendant la charge et la décharge entraînera différents degrés de contrainte à l'intérieur de la batterie, ce qui affectera la capacité, le débit et la sécurité de la batterie. performances, etc. Par conséquent, le contrôle du gonflement volumique au lithium de la batterie ionique est le point clé pour assurer la sécurité et la fiabilité de la cellule de batterie. Le gonflement du volume cellulaire est divisé en gonflement réversible et gonflement irréversible. Parmi eux, le gonflement réversible provient du gonflement structurel causé par le processus de désintercalation des ions lithium et du gonflement thermique causé par l'effet thermique de la batterie, et le gonflement irréversible provient de la production de gaz ou d'un changement de phase structurel irréversible.^1-5。Dans cet article, des deux points de vue du volume cellulaire et de l'épaisseur cellulaire, comme illustré à la figure 1 (a) et (b), la méthode in situ est utilisée pour surveiller le changement de gonflement pendant la charge et la décharge et analyser le comportement de gonflement de la cellule de la poche.

(a) Test de volume (b) Test d'épaisseur

Figure 1. Schéma de test

Matériel expérimental et méthodes d'essai

1.1 Matériel expérimental

1.1 Moniteur de volume de gaz in situ, modèle GVM2200 (IEST), teste la plage de température de 20 ℃ ~ 85 ℃, prend en charge le test synchrone à double canal (2 batteries), l'apparence de l'appareil est illustrée à la figure 2.

Figure 2. Aspect de l'équipement GVM2200

1.2 Analyseur de gonflement in situ, modèle SWE2110 (IEST), l'aspect de l'équipement est illustré à la figure 3.

Figure 3. Aspect de l'équipement SWE2110

2. Processus de test

2.1 Processus de charge et de décharge : 25 ℃ Reste 5 min ; 1C CC à 4.2V, CV à 0.025C; repos 5min; 1C DC à 2.8V, analysez le comportement de gonflement de la même cellule dans deux cycles adjacents.

2.2 Test de gonflement du volume cellulaire : mesurer le poids initial m₀ de la cellule, 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 , courant, tension et capacité.

2.3 Test de gonflement de l'épaisseur des cellules : placez la cellule à tester dans le canal correspondant de l'appareil, ouvrez le logiciel MISS, définissez le numéro de cellule et les paramètres de fréquence d'échantillonnage correspondant à chaque canal, et le logiciel lit automatiquement l'épaisseur de la cellule, le changement d'épaisseur, tester la température et le courant, la tension, la capacité et d'autres données.

Analyse in situ du comportement au gonflement des batteries Soft-pack

1. Comportement de gonflement des cellules pendant tout le processus de charge et de décharge

Effectuez une analyse de gonflement in situ sur les deux processus de charge et de décharge continus de la même cellule. 

Les informations sur la conception de la cellule et les informations sur la capacité sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1. Informations sur la conception des cellules et informations sur la capacité

Les figures 4 (a) et (b) montrent respectivement le changement de volume et le changement d'épaisseur de la cellule pendant la charge et la décharge. Pendant le processus de charge à courant constant, le volume et l'épaisseur de la cellule de la batterie augmentent ; pendant le processus de tension constante, le volume et l'épaisseur diminuent ; pendant le processus de décharge à courant constant, la courbe de changement de volume montre d'abord une augmentation puis une diminution, tandis que la courbe de changement d'épaisseur reste essentiellement inchangée puis diminue progressivement. Le volume de la cellule et le pourcentage de changement d'épaisseur sont fondamentalement les mêmes, ce qui indique que la déformation dans le sens de l'épaisseur est principalement causée par la désintercalation du lithium pendant le processus de charge et de décharge, ce qui montre à son tour la déformation globale du volume.

Figure 4. (a) Changement de tension et de volume pendant la charge et la décharge ; (b) Changement de tension et d'épaisseur pendant la charge et la décharge

2. Comportement de gonflement des cellules pendant la charge à courant constant

Dans le processus de charge à courant constant, la courbe de capacité différentielle, le changement de volume et la courbe de changement d'épaisseur sont illustrés aux figures 5 (a) et (b). Le pic de la courbe de capacité différentielle correspond au changement de phase des matériaux d'électrode positive et négative dans le processus d'extraction du lithium. À la position de tension de crête, la pente de la courbe de changement de volume et d'épaisseur changera également en conséquence.

Figure 5. (a) Capacité différentielle et changement de volume pendant la charge à courant constant ; (b) La capacité différentielle et le changement d'épaisseur pendant la charge à courant constant

3. Comportement de gonflement des cellules pendant la charge à tension constante

Dans le processus de charge à tension constante, la courbe de changement de courant de cellule et la courbe de changement de volume et d'épaisseur sont illustrées à la figure 6 (a) et (b). Pendant la charge à tension constante, le courant diminue progressivement, la répartition de la concentration de lithium entre les couches de graphite est progressivement uniforme⁵, le volume et l'épaisseur des cellules diminuent progressivement et se stabilisent. 

Figure 6. (a) Changements de courant et de volume pendant la charge à tension constante ; (b) Changements de courant et d'épaisseur pendant la charge à tension constante

4. Comportement de gonflement des cellules lors d'une décharge à courant constant

Dans le processus de décharge à courant constant, la courbe de capacité différentielle et la courbe de changement de volume et d'épaisseur sont illustrées aux figures 7 (a) et (b). Au début de la décharge, le volume de la cellule de la batterie se dilate d'environ 0,3 %, ce qui peut être liés à la transition de phase Hexagonal 3 → Hexagonal 2 provoquée par l'insertion d'ions lithium dans le matériau NCM lors de la décharge. Le volume du matériau d'électrode positive augmente légèrement et la pression constante de 15 kg est utilisée (~ 1 MPa). EL'épaisseur de la cellule de la batterie est fondamentalement inchangée au stade initial de la décharge. Semblable au comportement de gonflement du processus de charge, la position maximale de la courbe de capacité différentielle pendant le processus de décharge correspondra également au changement de la pente de la courbe de volume et d'épaisseur. Les changements de volume et d'épaisseur pendant la charge et la décharge ne sont pas complètement symétriques. Ceci est causé par le changement de phase réversible incomplet du matériau pendant le processus de charge et de décharge, ce qui conduit à un certain degré de gonflement irréversible⁴.

Figure 7. (a) Capacité différentielle et changement de volume pendant une décharge à courant constant ; (b) Capacité différentielle et changement d'épaisseur pendant une décharge à courant constant

Résumé

Dans cet article, un moniteur de volume de gaz in situ (GVM) et un analyseur de gonflement in situ (SWE) sont utilisés pour analyser le volume et l'épaisseur du gonflement pendant le processus de charge et de décharge de la cellule à poche, ce qui peut caractériser le gonflement réversible. et gonflement irréversible en temps réel, et aider les développeurs à partir de Analyse du comportement de gonflement cellulaire dans différentes dimensions.

Matériel de référence

1. Ruihe Li, Minggao Ouyang et al. Déformation volumique des batteries lithium-ion grand format sous différentes voies de dégradation. Journal de la société électrochimique,2019, 166 (16) A4106-A4114

2. Shiyao Zheng, Yong Yang et al. Corrélation entre les changements structurels à longue portée et locaux dans les matériaux en couches riches en Ni pendant le processus de charge et de décharge.J. Sources d'alimentation.2019, 412, 336–343 ;

3. Y. Reynier, R. Yazami, B. Fultz. L'entropie et l'enthalpie de l'intercalation du lithium dans le graphite.Journal des sources d'énergie .2003, 119–121 850–855

4. Jan N. Reimers et JR Dahn. Études électrochimiques et in situ de diffraction des rayons X de l'intercalation du lithium dans LixCoO2. Journal de la société électrochimiqueet, 1992, 139, 8

5. Haifeng Dai, Chenchen Yu, Xuezhe Wei, Zechang Sun. Estimation de l'état de charge des batteries lithium-ion en poche basée sur la mesure de la contrainte.Énergie, 2017, 129, 16.