Analyse in situ de la production de gaz de la surcharge de la cellule - Matériau cathodique et électrolyte

Pendant le processus de surcharge des batteries lithium-ion, une série de réactions chimiques et électrochimiques se produira, y compris la transition de phase réversible des matériaux positifs et négatifs, des changements structurels irréversibles et la réaction d'oxydation des composants électrolytiques, etc., en particulier lorsque la cathode ternaire le matériau est instable sous haute tension et que l'oxygène du réseau est précipité, cela provoquera en outre la réaction d'oxydation des composants de l'électrolyte pour produire du gaz, ce qui provoquera le gonflement de la cellule. La figure 1 est l'utilisation de l'équipement de surveillance in situ OEMS pour surveiller les changements de composition de gaz de la surcharge du cycle NCM811 ¹. Dans cet article, un analyseur de volume de gazage in situ (GVM) a été utilisé pour effectuer un test de volume de surcharge in situ sur des cellules NCM523/graphite (capacité théorique 1000 mAh) avec différents types et contenus d'additifs, et analyser le comportement de production de gaz des cellules. .

Figure 1. NCM811 Surveillance in situ des composants gazeux¹

Matériel expérimental et méthodes d'essai

1. Équipement expérimental : modèle GVM2200 (IEST), plage de température de test 20 ~ 85 ℃, prise en charge du test synchrone à double canal (2 cellules), l'apparence de l'équipement est illustrée à la figure 2.

Figure 2.L'apparence du GVM2200

2. Paramètres de test : 25℃ 1C CC à 5V.

3. Méthode de test : pesez 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, le logiciel lit automatiquement le changement de volume. , température de test, courant, tension, capacité et autres données.

Analyse de la production de gaz de la surcharge des cellules in situ

1．Courbe de charge-décharge et analyse de la courbe de changement de volume

La courbe de changement de volume et la courbe de tension de la cellule sont illustrées à la figure 3 (a) (b) (c) ， C1 et C2 sont deux types de matériaux de cathode avec différents additifs d'électrolyte sont de type E1 et E2, et le contenu de l'additif ：0 %, 1 %, 2 %, 3 %, 5 %. En comparant les figures 3(a) et 3(b),  sont appariés avec le même électrolyte, à mesure que la teneur en additif de l'électrolyte augmente, le changement de volume des deux groupes de cellules devient de plus en plus important, il est expliqué que la réaction de production de gaz de l'additif fait gonfler la cellule. En comparant davantage la production totale de gaz des cellules, on peut constater que la cellule correspondant au matériau de cathode C2 produit plus de gaz. Cela peut être dû à la structure plus instable du matériau à haute tension, libérant plus d'oxygène du réseau pour réagir avec l'électrolyte. En comparant les figures 3 (a) et 3 (c), le même matériau de cathode avec des électrolytes différents, le volume de la cellule augmente toujours avec l'augmentation de la teneur en additif, mais la production totale de gaz des deux groupes de cellules est presque la même , il montre que le type d'additif n'affecte pas la production totale de gaz.

Figure 3.Courbes de tension de cellule et de production de gaz de différents matériaux de cathode avec différents électrolytes

2. Analyse de la capacité de production de gaz et de la tension de gaz des cellules

La production totale de gaz et les informations de tension au point d'inflexion de la courbe de production de gaz des trois groupes de cellules sont présentées dans le tableau 1 et la figure 4. Avec l'augmentation de la teneur en additif, la production totale de gaz de la cellule correspondant à E1 et Les types d'additifs E2 augmentent progressivement et, lorsqu'ils sont utilisés avec le matériau de cathode C2, la production totale de gaz de la cellule sera considérablement plus élevée. En comparant le même additif, lorsque la teneur augmente de 1% à 5%, la tension initiale de production de gaz de la cellule change moins. Par conséquent, le type de matériau de cathode et la teneur en additif d'électrolyte affecteront la production totale de gaz de la cellule, et le type d'additif affectera le potentiel de production de gaz de la cellule, en choisissant le bon matériau de cathode,

Tableau 1. Informations sur la production de gaz et le potentiel de production de gaz des cellules avec différents matériaux de cathode et différents électrolytes

Figure 4. Volume de production de gaz et courbe de tension de gaz de différents matériaux de cathode et de différents électrolytes

Résumé

Dans cet article, un analyseur de volume de gazage in situ à double canal et à température contrôlée est utilisé pour comparer et analyser le comportement de surcharge et de génération de gaz des batteries lithium-ion lorsqu'elles sont associées à différents matériaux de cathode et à différents électrolytes. On peut constater que le type de matériau de cathode et la teneur en additif d'électrolyte affecteront la production totale de gaz de la cellule, et le type d'additif affectera le potentiel de production de gaz de la cellule. Par conséquent, la sélection du matériau de cathode approprié, du type d'additif d'électrolyte et de la teneur peut contrôler le comportement de surcharge et de génération de gaz de la cellule.

Les références

Roland Jung et al. Libération d'oxygène et son effet sur la stabilité du cycle de LiNixMnyCo₂O₂(NMC) matériaux cathodiques pour batteries Li-ion.J. Electrochem. Soc. 2017, 164 A1361