Analyse in situ du gonflement et des changements de température des cellules de batterie LFP prismatiques

Pendant le processus de charge et de décharge des batteries lithium-ion, avec l'intercalation et l'extraction continues du lithium-ion, la contrainte à l'intérieur de la batterie augmentera et diminuera. Si la contrainte irréversible s'accumule dans une certaine mesure, cela conduira à la rupture des particules ou à la précipitation du lithium, réduisant la capacité utilisable et la durée de vie de la batterie^1-3. Lorsque la cellule de batterie est emballée dans un véhicule électrique ou un produit électronique 3C, elle est comprimée à des degrés divers en raison des contraintes d'espace du boîtier ou d'autres composants, ce qui affecte le changement de performance de la cellule de batterie lors d'une utilisation ultérieure.

Dans cet article, l'analyseur de gonflement in situ (SWE) est utilisé pour tester la force de gonflement et le changement de température de la cellule de batterie sous différentes précharges initiales (60 kg/90 kg/120 kg) et différents taux de charge et de décharge de la coque. cellule de batterie au lithium fer phosphate et analyser le comportement de gonflement et d'élévation de température de la cellule.

Figure 1. Schéma de principe de la cellule de batterie du système LFP

Informations sur les tests

1. Équipement d'essai :Analyseur de gonflement in situ, modèle SWE2110 (IEST), qui peut exercer une plage de pression de 5 ~ 1000 kg, et l'apparence de l'équipement est illustrée à la figure 2.

Figure 2 : Apparence de l'équipement SWE2110

2. Paramètres d'essai

2.1 Informations sur la batterie: Batterie coque carrée LFP/Graphite 40Ah

2.2 Plan d'essai :Force de gonflement et changement de température sous le même grossissement avec différentes précharges (60kg/90kg/120kg); La force de gonflement et les changements de température de la même précharge (60 kg) sous différents grossissements (1C, 1,5C, 2,5C); les variations de tension et de courant du cycle de charge et de décharge de la batterie sont illustrées à la figure 3.

Figure 3 : Schéma de principe de la charge et de la décharge de la batterie

2.2 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 correspondant, la fréquence d'échantillonnage, la pression de test et d'autres paramètres pour chaque canal, et le logiciel lira automatiquement les données telles que l'épaisseur de la cellule, l'épaisseur variation, température, courant, tension et capacité.

Analyse des résultats

1. Courbes de gonflement des cellules et de variation de température dans différentes conditions de précharge initiale

Les cellules de la batterie ont été soumises à des tests de charge et de décharge 1C dans trois conditions de précharge initiales différentes. Les courbes de gonflement mesurées in situ, les changements de température et les courbes de capacité différentielle sont illustrés à la figure 4. On peut voir sur la figure 4(a) qu'avec l'augmentation de la force de pré-serrage initiale, la variation de la force de gonflement maximale de la cellule pendant la charge et la décharge augmente également progressivement, principalement parce que plus la force de pré-serrage est grande, plus l'écart initial de la cellule est petit. Plus la valeur est petite, plus le gonflement structurel de la cellule est limité lors du processus d'intercalation et de désintercalation du lithium.

Dans la figure 4 (b), la température de la surface de la cellule augmente dans les trois conditions pendant le processus de charge et de décharge, indiquant qu'il y a un courant traversant l'intérieur de la cellule, et la température à la surface de la cellule sera d'environ 3 °C. Lorsque le courant est coupé pendant la période de repos, la température de surface diminue lentement. On peut voir à partir du changement de position de pointe de la courbe de capacité différentielle du processus de charge et de décharge de la figure 4 (c), que lorsque la précharge initiale augmente de 60 kg à 90 kg et 120 kg, la position de pointe se déplace d'abord vers la gauche, puis reste inchangé, indiquant un certain degré de La précharge est bénéfique pour réduire la polarisation de la cellule.

Une pression modérée peut améliorer le contact électrique entre les particules, empêcher le délaminage de la couche d'électrode et décharger le gaz de la couche d'électrode, mais lorsque la pression est trop élevée, la compression entravera la transmission des ions, augmentant ainsi la résistance des ions ; et la distribution de pression inégale est également Cela entraînera la fermeture des pores du diaphragme, et la distribution de courant sera inégale, entraînant une précipitation locale de lithium.

De plus, la pression initiale différente conduira également à différentes caractéristiques d'évolution des contraintes de la batterie pendant le cyclage à long terme : une pression de confinement plus élevée entraînera une détérioration rapide du cycle de la batterie et une diminution rapide de la capacité. Cependant, par rapport au cas sans pression, une pression appropriée peut améliorer la stabilité du cycle et la rétention de capacité de la batterie.

Figure 4. Cellule sous 3 types de conditions de précharge (a) courbe de force de gonflement ; (b) courbe de changement de température ; (c) courbe de capacité différentielle.

1. Courbes de gonflement cellulaire et de variation de température dans différentes conditions de taux

Les courbes de force de gonflement, de température et de capacité différentielle de la cellule de batterie dans trois conditions de taux de charge et de décharge différentes sont illustrées à la figure 5. La batterie est chargée et déchargée à des taux différents. Avec l'augmentation du taux de charge, la force de gonflement maximale de la cellule passe d'environ 144 kg à 164 kg, et l'augmentation de la température de surface de la cellule est plus évidente.

Lorsque le taux est de 2,5 C, l'élévation de température maximale est d'environ 15 °C et la position maximale de la courbe de capacité différentielle pendant le processus de charge de la cellule de batterie se déplace progressivement vers la droite. Les informations ci-dessus montrent que les taux de charge et de décharge ont des effets différents sur la force de gonflement, la température et la polarisation de la cellule de batterie.

Figure 5. (a) Changement de force de gonflement ; (b) changement de température ; ( c ) Courbe de capacité différentielle sous différents taux de charge et de décharge de la cellule.

Résumer

L'influence du taux de charge et de décharge sur la force de gonflement de la cellule est considérée sous deux aspects : gonflement réversible et gonflement irréversible. Le gonflement réversible fait référence au changement de volume du réseau de matériau d'électrode dû au phénomène de délithiation et d'intercalation du lithium de l'électrode.

Le gonflement irréversible comprend la croissance du film SEI, la formation de dendrites interfaciales, la production de gaz et la fragmentation et le délaminage des particules causés par des dommages irréversibles. L'augmentation du taux de charge-décharge conduit à l'accumulation d'une grande quantité de lithium-ion à la surface des particules actives, ce qui entraîne une différence de concentration croissante entre l'intérieur et la surface des particules, ce qui conduit à la formation de des dendrites de lithium en surface d'une part.

D'autre part, la contrainte sur les particules augmentera avec l'augmentation de la différence de concentration. Plus la contrainte est élevée, plus il est facile pour les particules de se fissurer ou même de se casser, entraînant des dommages structurels irréversibles et un gonflement de la batterie au lithium.

Matériel de référence

1. Dongjiang Li, Dmitri Danilov, Jie Xie, Luc Raijmakers, Lu Gao, Yong Yang, Peter HLNotten, Mécanismes de dégradation des batteries C6/LiFePO4 : Analyses expérimentales du vieillissement calendaire, Electrochimica Acta.http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2015.12.161

2. Thomas MM Heenan, Paul R. Shearing *, Identification des origines des défauts microstructuraux tels que la fissuration dans les particules de cathode Ni-Rich NMC811 pour les batteries lithium-ion. Adv. Matière énergétique. 2020, 2002655.

3. Dai H, Yu C, Wei X, Sun Z, Estimation de l'état de charge des batteries lithium-ion en poche basée sur la mesure du stress, Énergie (2017).

4. M Lewerenz,Un Marongio,Un Warnecke,VOUS Moutons. Analyse de tension différentielle comme outil d'analyse du vieillissement inhomogène : une étude de cas pour les cellules cylindriques LiFePO4 | Graphite. Journal des sources d'alimentation 368 (2017) 57 ~ 67.