Étude de la corrélation entre les performances de compression de la batterie et le SOC et le SOH
Avec le développement rapide des véhicules électriques, la part des véhicules électriques sur la route augmente également. Tout en offrant un confort aux personnes, il existe inévitablement de nombreux risques pour la sécurité. Parmi eux, les accidents de voiture sont des problèmes de sécurité sur lesquels il faut se concentrer. Les batteries lithium-ion sont des dispositifs de stockage d'énergie pour les véhicules électriques, stockant d'énormes quantités d'énergie. Bien que la batterie lithium-ion soit installée dans une position qui n'est pas facile à déformer sur le châssis de la voiture, une fois qu'elle est touchée, elle est très susceptible d'endommager la batterie et de provoquer une panne de court-circuit, éventuellement de provoquer un incendie ou même explosion, constituant une grande menace pour la vie des personnes et la sécurité des biens. Par conséquent, il est nécessaire de comprendre clairement et précisément et d'étudier systématiquement les propriétés mécaniques des batteries lithium-ion,
Le test de performance mécanique des batteries lithium-ion est un moyen important pour étudier ses différentes propriétés mécaniques, et le contenu de la recherche est généralement réalisé autour de plusieurs échelles, combinant principalement les voies hiérarchiques de l'échelle microscopique, de l'échelle mésoscopique, de l'échelle macro unique et de l'échelle macro système. . La figure 1 est un schéma de principe de plusieurs échelles d'une batterie lithium-ion, chaque échelle est relativement indépendante et directement affectée. Du point de vue d'une cellule de batterie lithium-ion, il s'agit principalement d'un corps complexe étanche composé de feuilles de cathode et d'anode, d'un diaphragme, d'un électrolyte, d'un film aluminium-plastique ou d'une coque en acier. Chaque composant a des propriétés mécaniques différentes, et avec les cycles de charge et de décharge et le vieillissement, l'état de ses composants internes change constamment. Dans ce document, le système d'analyse de gonflement in situ de l'IEST est utilisé pour surveiller la pression et la déformation de l'épaisseur de la batterie en associant les paramètres du SOC et du SOH de la batterie unique, l'évaluation de la corrélation des performances de compression de la batterie fournit une méthode réalisable pour l'étude de la propriétés mécaniques des batteries lithium-ion dans différents états. L'indice de performance de compression réellement mesuré par cette méthode peut également être utilisé comme donnée de support théorique efficace pour la simulation de batterie.
1. Matériel expérimental et méthodes d'essai
1.1 Matériel expérimental
Analyseur de gonflement in situ, modèle SWE2110 (IEST), comme illustré dans la figure ci-dessous :
Figure 2. Aspect de l'équipement SWE2110
1.2 Informations sur le test et processus
1.2.1 Les informations sur la batterie sont indiquées dans le tableau 1.
Tableau 1. Informations sur la batterie de test
1.2.2 Processus de charge et de décharge
1.2.3 Processus expérimental : BTest du module de compression de la batterie : placez la batterie à tester dans le canal correspondant de SWE2110, ouvrez le logiciel MISS, définissez le processus de contrôle de la pression, la fréquence d'échantillonnage, le processus de charge et de décharge, etc., le logiciel lit automatiquement l'épaisseur de la batterie, le changement d'épaisseur, Testez la température, le courant, la tension, la capacité et d'autres données.
2. Résultats expérimentaux et analyse
L'analyseur de gonflement in situ (SWE2110) active le mode de test de compression (état stable) et définit la méthode de réglage de la pression comme indiqué sur la figure 3 (a) : la pression initiale est de 10 kg, l'étape de pressurisation est de 100 kg et chaque pression est maintenu pendant 10S jusqu'à 1000kg, puis relâchez la pression, l'étape de décompression est de 100kg, et chaque pression est maintenue pendant 10S jusqu'à ce que l'expérience soit terminée à 10kg. Sélectionnez trois batteries fraîches, ajustez différents états SOC (0 %, 50 %, 100 %) et ajustez la pression selon la figure 3(a) pour mener des expériences de compression à l'état stable sur les trois batteries. Les résultats sont présentés sur la figure 3(b) : pendant l'étape de pressurisation, alors que la pression continuait d'augmenter, l'épaisseur de la batterie était continuellement comprimée ; pendant la phase de dépressurisation, alors que la pression continuait de baisser, l'épaisseur de la batterie a continué à rebondir. Dans le même temps, il a été constaté que le degré de compression de la batterie est différent dans différents états.
À mesure que le SOC augmente, la batterie est plus facilement compressée. Cela peut être lié à l'incohérence et à l'inhomogénéité des performances des matériaux actifs positifs et négatifs dans différents états d'intercalation du lithium. L'intérieur de l'électrode de la batterie changera également sous différents SOC. Par exemple, pour les électrodes en graphite, avec l'incorporation de différentes quantités de lithium, le réseau de graphite se dilate de 10% le long de l'axe c, et le graphite est souvent disposé parallèlement au collecteur de courant, de sorte que les électrodes en graphite se dilatent et se contractent principalement dans l'épaisseur direction. Ce changement de volume provoque à son tour une légère déformation et réorganisation des particules microscopiques et des pores pendant la (dé) lithiation, affectant le transport des ions et des électrons, par conséquent, l'inhomogénéité du SOC et le changement de volume se produisent dans le sens de l'épaisseur, et même l'électrode supérieure rétrécit et l'électrode inférieure se dilate sur la surface de l'électrode. De plus, le module d'élasticité, le coefficient de Poisson et la densité des matériaux en graphite et LCO changeront sous la condition de différentes quantités d'intercalation de lithium, ce qui se traduira par des propriétés mécaniques différentes.
En même temps, la batterie est chargée et déchargée à un rythme élevé. En fonction de la capacité initiale, lorsque la capacité de la batterie tombe à 85 % de la capacité initiale, l'état de santé de la batterie est défini sur 85 % SOH. De même, lorsque la capacité est de 80 %, l'état de santé de la batterie est de 80 % SOH. En comparant la figure 3 (b) (c) (d), on peut constater que dans différentes conditions SOH, les degrés de compression de différentes batteries SOC sont différents. Cela montre que le module de compression de la batterie n'est pas seulement lié au SOC, mais également à l'état SOH de la batterie. Et avec le vieillissement de la batterie (dans cette expérience, le taux de vieillissement de la charge et de la décharge a été augmenté), les facteurs d'influence du SOC ont tendance à s'affaiblir progressivement. Au cours du vieillissement cyclique, les performances de la batterie continuent de décliner en raison de divers processus mécaniques et chimiques. Les mécanismes de dégradation des cellules de la batterie comprennent la corrosion du collecteur de courant, les changements morphologiques des matériaux actifs, la décomposition de l'électrolyte, la formation de la couche d'interface électrolyte solide (SEI) et la dissolution du matériau. De plus, les dommages mécaniques à la batterie peuvent également accélérer la dégradation chimique, comme dans ce processus d'intercalation, où le changement de volume induit une contrainte considérable à l'intérieur des particules, entraînant des défaillances mécaniques telles que la comminution ou la fissuration et la fracture du matériau actif. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes. changements morphologiques des matériaux actifs, décomposition de l'électrolyte, formation de la couche d'interface électrolyte solide (SEI) et dissolution du matériau. De plus, les dommages mécaniques à la batterie peuvent également accélérer la dégradation chimique, comme dans ce processus d'intercalation, où le changement de volume induit une contrainte considérable à l'intérieur des particules, entraînant des défaillances mécaniques telles que la comminution ou la fissuration et la fracture du matériau actif. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes. changements morphologiques des matériaux actifs, décomposition de l'électrolyte, formation de la couche d'interface électrolyte solide (SEI) et dissolution du matériau. De plus, les dommages mécaniques à la batterie peuvent également accélérer la dégradation chimique, comme dans ce processus d'intercalation, où le changement de volume induit une contrainte considérable à l'intérieur des particules, entraînant des défaillances mécaniques telles que la comminution ou la fissuration et la fracture du matériau actif. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes. les dommages mécaniques à la batterie peuvent également accélérer la dégradation chimique, comme dans ce processus d'intercalation, où le changement de volume induit une contrainte considérable à l'intérieur des particules, entraînant des défaillances mécaniques telles que la comminution ou la fissuration et la fracture du matériau actif. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes. les dommages mécaniques à la batterie peuvent également accélérer la dégradation chimique, comme dans ce processus d'intercalation, où le changement de volume induit une contrainte considérable à l'intérieur des particules, entraînant des défaillances mécaniques telles que la comminution ou la fissuration et la fracture du matériau actif. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes. Ces fissures créent de nouvelles surfaces sur les particules, qui sont ensuite exposées à l'électrolyte, entraînant la formation d'une couche SEI supplémentaire et une décoloration de la capacité. Ces conditions d'atténuation affectent également le processus de gonflement et de contraction des électrodes.
Figure 3. (a) Mode de régulation de la pression (b) (c) (d) Courbes de module de compression des batteries sous différents SOH
En outre, sous le même état SOC, les performances de compression de la batterie sous différents SOH sont comparées. La relation entre le module de compression de la batterie et le SOH est illustrée à la figure 4 : lorsque le SOH diminue, la déformation maximale augmente, le module de compression diminue et la déformation irréversible augmente également, comme indiqué dans le tableau 2. Cela peut être lié à la lithiation/délithiation rapide des matériaux actifs positifs et négatifs lorsque la batterie vieillit à un rythme élevé, non seulement cela provoque des changements structurels, une fragmentation et une dissolution du matériau actif, mais cela s'accompagne également de diverses réactions secondaires, conduisant à SEI la croissance du film, le dépôt de lithium sur l'électrode négative et la production de gaz de batterie.
La fragmentation du matériau actif, la croissance du film SEI et la précipitation du lithium augmentent la déformation irréversible de la batterie, et parce que le module de compression du film SEI et des dendrites de lithium est beaucoup plus petit que celui de la cathode et de l'anode, la déformation en compression maximale de la batterie après le vieillissement augmente considérablement. De plus, la production de gaz de réaction secondaire modifiera également l'étanchéité des contacts des feuilles de cathode et d'anode, affectant ainsi les performances de compression de la batterie. En bref, le module de compression de la batterie est étroitement lié au SOH de la batterie.
Figure 4. Courbe de changement d'épaisseur irréversible de la batterie
Tableau 2. Résumé des performances de compression de la batterie
3. Résumé
Dans cet article, l'analyseur de gonflement in situ (SWE) de l'IEST est utilisé pour analyser la corrélation entre les performances de compression de la batterie du système ternaire/graphite et le SOC et le SOH. Les expériences montrent que les performances de compression de la batterie ne sont pas statiques, mais changent avec des facteurs tels que SOC et SOH. La corrélation correspondante peut concevoir des produits plus fiables pour les techniciens concernés, fournir des données plus réelles aux techniciens de simulation et améliorer l'effet de simulation.