Ảnh hưởng của ứng suất bên ngoài đến tuổi thọ của pin

Quá trình chu kỳ sạc-xả của pin lithium-ion là một quá trình phản ứng vật lý và hóa học phức tạp, và có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của chu kỳ. Một mặt, nó liên quan đến các đặc tính của pin, chẳng hạn như đặc tính vật liệu, thiết kế điện cực và quy trình sản xuất pin; mặt khác, nó còn liên quan đến sự tác động từ bên ngoài của pin trong quá trình sử dụng. Bài viết này chủ yếu là tìm các điều kiện phù hợp nhất cho tuổi thọ của pin từ việc thay đổi áp suất bên ngoài, điều này có thể cung cấp hướng dẫn nhất định cho việc sử dụng pin và khuôn GÓI.

1. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm

1.1 Thiết bị thí nghiệm: Máy phân tích trương nở tại chỗ, model SWE2110 (IEST), như minh họa trong hình dưới đây.

Hình thức thiết bị SWE2110

1.2 Thông tin và quy trình kiểm tra

1.2.1 Thông tin về ô được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Thông tin tế bào thử nghiệm

1.2.2 Quy trình Nạp và Xả

1.2.3 Quy trình thí nghiệm

Kiểm tra độ phồng của tế bào: Đặt pin cần kiểm tra vào kênh tương ứng của SWE2110, mở phần mềm MISS, đặt áp suất kiểm tra khác nhau, tần suất lấy mẫu, quy trình sạc và xả, v.v., phần mềm sẽ tự động đọc độ dày của tế bào, sự thay đổi độ dày , kiểm tra nhiệt độ, dòng điện, điện áp, công suất và các dữ liệu khác.

2. Kết quả thí nghiệm và phân tích

Máy phân tích độ phồng tại chỗ (SWE2110) bật chế độ áp suất không đổi và áp suất được đặt thành 5,0kg, 10kg, 25kg, 50kg, 100kg, 200kg và sau khi giữ áp suất trong 1 giờ, hãy sạc và xả pin , và theo dõi sự thay đổi độ dày trong toàn bộ quá trình tại chỗ. Như được hiển thị trong Hình 2, trong toàn bộ chu kỳ, do sự chuyển pha của các vật liệu dương và âm để xen kẽ và khử xen kẽ của lithium, tổng thể pin có xu hướng giãn nở điện tích và co lại phóng điện. Điều này chủ yếu là do sự thay đổi thể tích thuận nghịch và có thể đảo ngược của điện cực âm silicon-cacbon, mở rộng sau khi xen kẽ lithium và phục hồi thể tích sau khi phân tách.

Dưới áp suất khác nhau, độ dày của tế bào là khác nhau. Khi áp suất bên ngoài tăng lên, độ dày tối đa của tế bào giảm dần. Áp suất bên ngoài làm tăng mật độ tương đối và diện tích tiếp xúc giữa vật liệu hoạt động và dải phân cách, điều này không chỉ giảm thiểu điện trở giao thoa mà còn có thể đảm bảo phân phối dòng điện đồng đều trong quá trình sạc và xả, do đó mức độ suy giảm của vòng đời tế bào dưới các áp suất khác nhau cũng khác nhau. Dưới cùng một áp suất, độ giãn nở tối đa của mỗi chu kỳ của ô tăng liên tục theo số chu kỳ, điều này cho thấy rằng có sự giãn nở không thể đảo ngược của ô trong quá trình sạc và xả, và khi số chu kỳ tiếp tục tăng,

Hình 3 cho thấy sự thay đổi của độ dày giãn nở không thể đảo ngược theo áp suất: khi áp suất tăng lên, sự giãn nở không thể đảo ngược của quá trình sạc và xả pin có một sự thay đổi nhất định, nghĩa là áp suất thích hợp giúp triệt tiêu sự giãn nở không thể đảo ngược. Trong quá trình chuyển đổi áp suất, sự giãn nở không thể đảo ngược có một điểm thay đổi đột ngột và khi áp suất tăng lên, sự thay đổi đột ngột càng rõ ràng hơn, điều này có thể liên quan đến sự khác biệt về thời gian cần thiết để pin đạt trạng thái ổn định với áp suất. công tắc. Độ dày mở rộng không thể đảo ngược là sự hình thành biến dạng dẻo vĩnh viễn và vết nứt trong quá trình quang hóa / phân tách, chủ yếu bao gồm sự thay đổi cấu trúc của vật liệu cực dương, sự phân mảnh và hòa tan của vật liệu hoạt động,

Vì thí nghiệm này sử dụng cực dương silicon-carbon và dòng điện nạp và xả chỉ là 0,5C, nên sự giãn nở không thể đảo ngược trong thí nghiệm này chủ yếu là do sự nứt vỡ của vật liệu cực dương và sự tái hợp của màng SEI. Khi quá trình đạp xe diễn ra, các phản ứng phụ và sự suy giảm này tích lũy, dẫn đến sự gia tăng không thể đảo ngược độ dày của tế bào.

Hình 2. Đường cong thay đổi độ dày của pin dưới các chu kỳ áp suất khác nhau

Hình 3. Đường cong thay đổi độ dày không thể đảo ngược của tế bào

Ứng suất bên ngoài phù hợp có thể làm tăng tiếp xúc giữa các bề mặt, giảm sự hao hụt lithium hoạt động trong quá trình đạp xe và làm chậm quá trình giảm dung lượng pin.  Đồng thời, các điện cực dương và âm và dải phân cách của pin lithium-ion đều có cấu trúc xốp. Khi áp suất tăng lên, các thông số như độ xốp, độ quanh co của điện cực và dải phân cách sẽ thay đổi tương ứng, ảnh hưởng đến sự khuếch tán của Li+, dẫn đến suy giảm công suất [1]. Áp suất ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc điện, độ xốp và diện tích bề mặt hiệu quả của các điện cực, cũng như hình thái của dải phân cách. Do đó, lực nén bên ngoài lên tế bào có thể ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa, bao gồm cả vòng đời.

Trích xuất công suất xả của ô theo các số chu kỳ khác nhau tại mỗi điểm áp suất và thực hiện khớp tuyến tính trên đó, kết quả được hiển thị trong Hình 4: với sự gia tăng áp suất, độ dốc của đường cong khớp tuyến tính của công suất ô tăng trước và sau đó giảm xuống, nghĩa là tốc độ phân rã công suất xả thể hiện xu hướng giảm đầu tiên và sau đó tăng lên.  Ảnh hưởng của ứng suất cơ học đối với pin đã được nghiên cứu nhiều lần và rõ ràng đã có tác động đáng kể đến hiệu suất của pin. Áp dụng một số áp suất lên tế bào giúp giảm sự giãn nở không thể đảo ngược và duy trì hiệu suất của tế bào đối với các cực dương dựa trên than chì và silicon. Tuy nhiên, áp dụng ứng suất quá cao lên tế bào có thể ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng duy trì công suất.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ dày pin ban đầu đo được cao hơn khoảng 5-15% so với độ dày lý thuyết và sự khác biệt này chủ yếu là do sự trương nở của chất kết dính và chất phân tách do chất điện phân làm đầy, sự hình thành khí và khoảng trống ở giao diện điện cực . Áp suất bên ngoài có thể làm giảm khoảng trống giữa các điện cực và tăng diện tích tiếp xúc.  Do đó, pin sẽ được nén dưới một áp suất nhỏ và độ dày sẽ giảm xuống, từ đó giảm điện trở tiếp xúc và cải thiện hiệu suất chu kỳ của pin. Khi áp suất tiếp tục tăng, độ xốp và độ quanh co của điện cực và dải phân cách sẽ thay đổi và ảnh hưởng đến sự khuếch tán Li+, dẫn đến suy giảm công suất nhanh hơn. Độ suy giảm công suất của tế bào là nhỏ nhất dưới ứng suất bên ngoài 50kg ~ 100kg, nghĩa là áp suất này là áp suất bên ngoài tốt nhất cho tế bào.

Hình 4. Đường cong phân rã của từng dung lượng áp của cell pin

3. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm

Trong bài báo này, máy phân tích sưng tại chỗ (SWE) của IEST đã được sử dụng để khám phá các điều kiện ứng suất bên ngoài theo chu kỳ tối ưu của các tế bào hệ thống LCO/Sic.  Khi tế bào phải chịu một chu kỳ dài dưới áp lực bên ngoài từ 50kg ~ 100kg, sự suy giảm công suất và mở rộng chu kỳ không thể đảo ngược của nó là nhỏ nhất, điều này cũng cung cấp cho nhân viên kỹ thuật có liên quan ý tưởng cải thiện chu kỳ của các tế bào hệ thống dựa trên silicon và tăng cường hơn nữa ứng dụng thực tế của các hệ thống dựa trên silicon.

4. Tài liệu tham khảo

[1] NHƯ Mussa，M. Klett,G. Lindbergh và RW Lindstrom, Ảnh hưởng của áp suất bên ngoài đến hiệu suất và sự lão hóa của tế bào túi lithium-ion một lớp. J. Nguồn điện 385 (2018) 18-26. 

[2] DJ Li, DL Danilov, J. Xie, L. Raijmakers, L. Gao, Y. Yang và PHL Notten, Cơ chế phân hủy của pin C6/LiFePO4: Phân tích thử nghiệm về lão hóa theo lịch. điện hóa. Acta 190 (2016) 1124-1133.