Analyse de la corrélation entre les performances de gonflement des cellules de batterie individuelles et des cellules de batterie modulaires

Avec le développement rapide de la nouvelle industrie de l'énergie, les véhicules alimentés au lithium-ion ont été largement utilisés et les performances de sécurité des batteries lithium-ion sont devenues de plus en plus importantes. Pendant le cycle de charge et de décharge à long terme d'un module composé de cellules de batterie individuelles connectées en série ou en parallèle, les cellules subiront un certain degré de gonflement dû à l'extraction du lithium et à la génération de gaz, ce qui affectera la résistance structurelle du boîtier du module . Dans une batterie ou un système de véhicule, si legonflementla force d'une seule batterie est trop importante, elle peut faire éclater le boîtier extérieur et entraîner un risque pour la sécurité. Par conséquent, le suivi de lagonflementperformance est requise dans les tests de cyclage à long terme des batteries. Étant donné que les cellules de batterie sont combinées en modules de batterie en différentes quantités et différentes configurations série-parallèle, et que la force de pré-serrage des différents modules conçus varie également, il est nécessaire de mener des expériences sur plusieurs facteurs qui affectentgonflementperformance pour explorer au préalablegonflementloi de variation des cellules-modules de batterie, combinée à la simulation et à la modélisation, ce qui peut aider à mieux concevoir les modules. Cette expérience fournit des données de base pour la prédiction et la simulation du module de batteriegonflementforce en comparant lagonflementépaisseur etgonflementcorrélation de force d'une seule cellule et de plusieurs cellules pendant la charge et la décharge.

Figure 1. Schéma de principe d'une cellule et d'un module

1. Matériel expérimental et méthodes d'essai

1.1 Matériel expérimental : Analyseur de gonflement in situ, modèle SWE2110 (IEST), l'apparence de l'équipement est illustrée à la figure 2.

Figure 2. Aspect de l'équipement SWE2110

1.2 Procédure d'essai

1.2.1 Les informations sur les cellules sont présentées dans le tableau 1

Tableau 1. Informations sur la cellule de test

1.2.2 Processus de charge-décharge : 25 °C Repos 60 min ; 0,5 C CC à 4,35 V, CV à 0,05 C ; repos 30min; 1.0C CC à 3.0V.

1.3 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 lira automatiquement l'épaisseur de la cellule, la variation d'épaisseur. , température de test, courant, tension, capacité et autres données.

2. Processus expérimental et analyse des données

Comme le montre la figure 3, il existe généralement trois modes pour les tests de gonflement des cellules et des modules : (a) mesure du gonflement libre sans aucune contrainte ; (b) mesure du gonflement des cellules de batterie avec une précharge constante ; (c) écart constant La mesure du gonflement des cellules de la batterie.

L'analyse de la force des trois situations dans des conditions d'équilibre est illustrée à la figure 3. Dans le premier cas, l'enveloppe extérieure limite lagonflementdu noyau interne, la force sur la coque externe et le noyau sont équilibrées et la force externe est nulle ; Dans les deux cas, une charge de précharge externe (F0) est appliquée à la cellule, ce qui provoque un déplacement initial du boîtier de la cellule (s0 et s0,c sur la figure 3b), et les plaques de liaison côté phase augmentent la direction perpendiculaire à la électrodes La rigidité équivalente KS ci-dessus, la force de pré-serrage F0 dans les conditions d'équilibre (la même que la force Fs de la version liée des deux côtés) est égale à la somme des forces sur le noyau de bobinage et le boîtier de la batterie ; dans le troisième cas, lors de la mesure constante de l'écart, car l'écart Dans des conditions fixes, legonflementdu noyau d'enroulement et du boîtier de la batterie lorsque la batterie se dilate est également différente de celle dans des conditions libres.

En bref, étant donné que le module est une combinaison de plusieurs batteries, le joint en plastique entre le boîtier de la batterie et la batterie rétrécira et se dilatera pendant le processus de contrainte. L'épaisseur et la force testées sont lesgonflementet la contraction de l'intercalation et de la désorption du lithium des électrodes et de lagonflementet la contraction des autres composants sont le résultat combiné. Dans cet article, les modes de test à pression constante et à espacement constant sont utilisés pour étudier la corrélation entre le monomère et le module.

Figure 3 Trois modes de test de gonflement des cellules et des modules.

2.1 Exploration sur la corrélation entre l'épaisseur de gonflement du monomère et le module

Comme le montre la figure 4, afin de simuler la couche intermédiaire entre les cellules individuelles, un film PET blanc a été collé sur les cellules avant le test. La méthode de test de superposition des cellules est illustrée à la figure 5. Allumez l'analyseur de gonflement in situ (SWE2110), réglez le mode de pression constante de 200 kg, chargez et déchargez en parallèle, et testez les changements d'épaisseur de gonflement des cellules individuelles et des cellules empilées. in situ, comme le montre la figure 6 : le trait plein est la courbe électrique de gonflement réel de l'âme, le trait pointillé est la courbe de superposition ajustée (somme arithmétique). D'après les résultats, la cellule unique et la cellule empilée montrent le phénomène de gonflement de charge et de contraction de décharge, qui est principalement dû au gonflement structurel et à la contraction du graphite et des matériaux ternaires causés par le processus de désintercalation du lithium.

Figure 4. Schéma de principe de la batterie avec film PET

Figure 5. Schéma de principe de la superposition des cellules

Figure 6. Courbes de variation de l'épaisseur de gonflement de chaque cellule de batterie et après superposition

2.2 Exploration sur la relation entre la force de gonflement du monomère et le module

Réglez le mode d'écart constant, la charge et la décharge en parallèle, et testez legonflementchangements de force de la cellule unique et de la cellule empilée dans le processus de charge et de décharge in situ, comme le montre la figure 7. D'après les résultats, à mesure que le nombre de cellules empilées dans le module augmente, la force de gonflement totale du module continue à augmenter, mais la valeur absolue de la force de gonflement de la cellule du module n'a pas de relation multiple avec la force de gonflement de la cellule individuelle. Il est inférieur à la somme des forces de gonflement de plusieurs cellules individuelles, et plus il y a de cellules empilées, plus la différence en valeur absolue est grande. Cela peut être la condition limite pour contrôler l'écart constant, ce qui rendra les cellules du module L'état de la cellule de batterie est différent de celui d'une seule cellule de batterie lorsqu'elle est chargée et déchargée, ce qui affecte les performances électrochimiques, et la raison de la différence doit être explorée plus avant. La capacité des cellules individuelles avant regroupement et la capacité des cellules individuelles après regroupement peuvent être prises en compte et comparées en même temps. La pression après empilement n'augmente pas linéairement, ce qui peut être dû au fait que la pression superposée des cellules après empilement atteint une valeur critique. La compression de l'espace entre les pièces polaires ou des dimensions encore plus microscopiques se reflétera forcément dans les performances de la batterie !

Figure 7. Courbe de variation degonflementforce de chaque cellule de batterie et superposition

D'après les résultats ci-dessus, le module ou PACK est installé de manière fixe dans le boîtier de la batterie, et les joints entre les cellules individuelles auront un impact relativement important sur la force globale etgonflementdu module. L'excellente conception du module de batterie peut éliminer legonflementde cellules individuelles. Récemment, la batterie Kirin lancée par CATL intègre les besoins d'utilisation, combinant les poutres horizontales et verticales, les plaques refroidies à l'eau et les coussinets d'isolation thermique en un seul, et les intégrant dans une couche intermédiaire élastique multifonctionnelle. Un dispositif de connexion à micro-pont est intégré dans la couche intermédiaire, qui peut coopérer de manière flexible avec la respiration du noyau de la batterie pour se dilater et se contracter librement et améliorer la fiabilité du cycle de vie de la batterie.

Figure 8. Intercalaire élastique multifonctionnel de la batterie Kirin dans CATL

3. Résumé

Dans cet article, l'analyseur de gonflement in situ (SWE) est utilisé pour analyser l'épaisseur de gonflement et la force de gonflement de la même cellule unique du système et de différents nombres de cellules de module pendant le processus de charge et de décharge. On constate que l'épaisseur de gonflement des cellules du module sous le mode de pression constante La tendance de changement peut être ajustée par la somme arithmétique à cellule unique, mais la méthode d'ajustement arithmétique simple n'est pas satisfaite dans le mode d'écart constant, qui est différent de la force de la cellule unique dans le mode de mesure des deux conditions aux limites. L'étape suivante Vous pouvez continuer à explorer le modèle de force sous différents modes de test et analyser plus en détail le processus de gonflement de l'électrode.

Littérature de référence

1.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao et Kai Wu. Force de gonflement dans les batteries lithium-ion,Dans. Ing.Chem. Rés,2020, 59, 27, 12313–12318.

2.Oh KY, Epureanu BI,  Siegel JB, et al. Modèles phénoménologiques de force et de gonflement pour les cellules de batterie lithium-ion rechargeables [J]. Journal des sources d'alimentation, 2016, 310(Apr.1):118-129.

3.Martin Wunscha, Kaufmana, Dirk Uwe Sauer. Étude de l'influence de différents renforts de cellules de poche automobiles sur les spectres de durée de vie cyclique et d'impédance. Journal du stockage d'énergie 21 (2019) 149–155.

4. Qiu Shitao, Chen Chaohai, Jiang Jibing. Effet des performances de la mousse sur la force d'expansion du module de batterie. Guangdong Chemical Industry, 2020, 47(22) : 1-3d