Efficacité de charge/décharge et épaisseur de gonflement de l'évaluation des performances de la cellule bouton modèle

Les batteries lithium-ion ont été largement utilisées dans tous les aspects de la vie, tels que les téléphones portables, les voitures ou le stockage d'énergie domestique, etc. Par conséquent, il est particulièrement important d'évaluer les différentes performances des batteries lithium-ion. Nous savons que les batteries au lithium se dilatent ou se contractent pendant la charge et la décharge, donc lors de la conception de modules de batterie au lithium, le paramètre de gonflement est l'un des paramètres importants à prendre en compte. De plus, avec l'apparition d'une nouvelle génération d'électrodes négatives à forte capacité spécifique (telles que les électrodes négatives à base de silicium ou les électrodes négatives au lithium métal), leur gonflement structurel est beaucoup plus évident que celui destraditionnelélectrodes négatives en graphite^[1,2], Par conséquent, de plus en plus d'entreprises se concentrent sur l'évaluation de laperformance de gonflement des batteries au lithium.

Habituellement, les chercheurs doivent préparer l'électrode dans des batteries finies monocouches ou multicouches pour évaluer le gonflement. Cette méthode a un long cycle de test, une faible efficacité d'évaluation et consomme beaucoup de ressources, ce qui affecte sérieusement le processus de développement de nouveaux matériaux. IEST a récemment utilisé de manière innovante la pile bouton modèle pour évaluer le comportement de gonflement de l'électrode de la batterie, ce qui raccourcit considérablement le cycle d'évaluation des performances de gonflement du matériau et peut économiser beaucoup de main-d'œuvre et de ressources matérielles pour préparer des batteries pour les universités ou les entreprises. Pour ce modèle de pile bouton, les utilisateurs se demandent surtout si son efficacité de cycle est comparable à celle d'une batterie à coque en acier traditionnelle, et si le changement d'épaisseur de gonflement mesuré par la pile bouton modèle est comparable à celui de la pile finie. Pour cette préoccupation, cet article fournit des données de comparaison correspondantes basées sur ces deux aspects, ce qui est pratique pour les utilisateurs à évaluer et à choisir.

1. Condition d'essai

1.1 Équipement d'essai : Cet article utilise le modèle de pile bouton de l'IEST et coopère avec le système de dépistage rapide in situ de gonflement d'électrode négative à base de silicium (RSS1400, IEST) pour effectuer le test de charge et de décharge et le test de gonflement des piles boutons et des piles de poche modernes.

Figure 1. Système de criblage rapide in situ de gonflement d'anode à base de silicium (RSS1400)

1.2 Conditions d'essai de charge et de décharge

①UtiliserPile bouton modèle IESTpour assembler la demi-cellule à pile bouton NCM//Li et la batterie pleine à pile bouton NCM//SiC, et effectuer une charge et une décharge à 3 cycles à un taux de 01C, ce qui est pratique pour une comparaison ultérieure entre les piles bouton à coque en acier commerciales et les performances de batteries empilées à cellules de poche à une seule couche.

②Utilisez la coque en acier 2032 commerciale pour assembler la demi-pile bouton de NCM//Li et effectuez 3 cycles de charge et de décharge au taux de 01C.

③ Assemblez les batteries laminées à cellules de poche monocouches NCM // SiC et effectuez 3 cycles de charge et de décharge à un taux de 01C.

1.3 Conditions d'essai de gonflement des cellules

La batterie complète de type bouton NCM//SiC et la batterie laminée à cellule de poche monocouche sont placées dans le système de criblage rapide in situ à gonflement d'anode à base de silicium (RSS1400, IEST). Après avoir appliqué une précharge initiale de 5 kg, les changements d'épaisseur de gonflement des deux ont été surveillés en temps réel pendant le processus de charge et de décharge de 01C.

2. Analyse des résultats

2.1Comparaison de l'efficacité de charge et de décharge entre la pile bouton modèle IEST et la pile bouton à coque en acier 2032 commerciale. 

L'image de gauche de la figure 2 est la pile bouton modèle IEST, et l'image de droite est la pile bouton à coque en acier 2032 commerciale. Nous avons utilisé des électrodes positives ternaires de même taille et composition pour assembler une paire de demi-cellules en feuille de lithium et comparé les efficacités coulombiennes des deux à des taux de charge et de décharge de 01C, les résultats sont présentés dans le tableau 1. Il peut être vu sur la figure que le premier effet de la pile bouton modèle est d'environ 89,13 %, ce qui n'est que d'environ 0,718 % inférieur à celui de la pile bouton en acier commerciale, l'efficacité maximale du cycle des deuxième et troisième tours n'est que d'environ 1,28 % inférieure à celle du bouton de coque en acier commercial. De plus, le COV d'efficacité de cycle maximale du bouton modèle et du bouton du boîtier en acier pour trois cycles n'est que de 0,65 % (où COV = écart type/moyenne * 100, en général, si COV <5 %,

Figure 2. L'image de gauche est le bouton modèle de l'IEST ; l'image de droite est le bouton de coque en acier commercial 2032.

Tableau 1. Comparaison de l'efficacité du cycle entre les demi-cellules de bouton du modèle NCM//Li et les boutons à coque en acier du commerce

2.2 Comparaison desgonflementépaisseur de la pile bouton et de la pile de poche du modèle IEST

L'image de gauche de la figure 3 est la pile bouton modèle IEST, et l'image de droite est une pile laminée à une seule couche. Les deux utilisent la même composition d'électrode positive ternaire et d'électrode négative en carbone de silicium pour assembler une batterie complète et surveiller le changement d'épaisseur de gonflement des deux pendant le processus de charge et de décharge de 01C en temps réel. La courbe de tension et la courbe de gonflement de l'épaisseur des deux sont illustrées à la figure 4, l'efficacité spécifique du cycle complet de la batterie et la comparaison de l'épaisseur de gonflement sont indiquées dans le tableau 2 et le tableau 3, respectivement. On peut voir sur la figure 4 que, qu'il s'agisse de la courbe de tension pendant le processus de charge et de décharge ou de la courbe de gonflement de l'épaisseur, la batterie à pile bouton modèle et la batterie laminée à cellule de poche présentent toutes une bonne cohérence. Il ressort du tableau 2 que, le premier rendement de la pile bouton modèle et de la pile laminée à poche est de 41,82 % et 42,42 %, respectivement, et le rendement du cycle des deux derniers cycles n'est différent que de 0,12 % ; Cependant, on peut voir d'après le tableau 3 que le taux de gonflement en épaisseur COV des deux cercles est également inférieur à 3,5 %, ce qui indique que le taux de gonflement en épaisseur des deux a également une bonne cohérence.

Figure 3. L'image de gauche représente la pile bouton du modèle IEST ; l'image de droite est la batterie laminée à pochette monocouche.

Figure 4. Les lignes bleues pointillées et pleines sont respectivement la courbe de tension et la courbe de gonflement de l'épaisseur du bouton de modèle ;

Les lignes pointillées et pleines orange sont la courbe de tension et l'épaisseurgonflementcourbe de la batterie laminée à poche monocouche respectivement.

Tableau 2. Comparaison de l'efficacité du cycle entre la batterie pleine de type bouton du modèle NCM//SiC et la batterie laminée à pochette monocouche

Tableau 3. Comparaison de l'épaisseur de gonflement de la pile pleine bouton du modèle NCM//SiC et de la pile laminée à pochette monocouche

3. Résumé

Cet article évalue les performances de charge et de décharge et l'épaisseur de gonflement de la pile bouton modèle IEST. On peut voir à partir des résultats que l'efficacité de charge et de décharge du cycle de la pile bouton modèle est fondamentalement la même que celle de la pile bouton à coque en acier 2032 commerciale, le taux de gonflement de l'épaisseur pendant le cycle de 3 cycles est également fondamentalement compatible avec le les résultats des tests de la batterie laminée à cellule de poche monocouche, indiquant que la batterie à pile bouton modèle IEST a une bonne efficacité de cycle de charge-décharge et un effet d'évaluation du gonflement. Cet article recommande l'utilisation d'un système C de dépistage rapide in situ de gonflement d'électrode négative à base de silicium (RSS1400, IEST) pour une utilisation avec ce modèle, et sa précision de test de gonflement d'épaisseur est de 0,1 μm, la résolution peut atteindre 0,01 μm,

4. Documents de référence

[1] J. Lin, L. Wang, QS Xie, Q. Luo, DL Peng, CB Mullins et A. Heller, La passivation semblable à l'acier inoxydable inspire des anodes en silicium persistantes pour les batteries lithium-ion. Angew. Chim. 135 (2023) e202216557.

[2] M. Ashuri, QR He et LL Shaw, Le silicium comme matériau d'anode potentiel pour les batteries Li-ion : où la taille, la géométrie et la structure comptent. Nanoscale 8 (2016) 74–103.