Phân tích tại chỗ về hành vi trương nở khối lượng và độ dày của tế bào túi

Đối với pin lithium-ion được bao bọc bằng màng nhôm-nhựa hoặc vỏ thép, do hạn chế về không gian bên ngoài, thể tích bị phồng lên trong quá trình sạc và xả sẽ gây ra các mức độ căng thẳng khác nhau bên trong pin, điều này sẽ ảnh hưởng đến dung lượng, tốc độ và độ an toàn của pin. hiệu suất, v.v. Do đó, việc kiểm soát độ phồng thể tích lithium của pin ion là điểm mấu chốt để đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy của pin. Sưng thể tích tế bào được chia thành sưng có thể đảo ngược và sưng không thể đảo ngược. Trong số đó, hiện tượng sưng có thể đảo ngược đến từ hiện tượng sưng cấu trúc do quá trình khử ion lithium gây ra và hiện tượng sưng nhiệt do hiệu ứng nhiệt của pin gây ra, và hiện tượng sưng không thể đảo ngược đến từ quá trình sản xuất khí hoặc thay đổi pha cấu trúc không thể đảo ngược.^1-5。Trong bài báo này, từ hai góc độ về thể tích tế bào và độ dày tế bào, như trong Hình 1 (a) và (b), phương pháp tại chỗ được sử dụng để theo dõi sự thay đổi độ phồng trong quá trình sạc và xả và phân tích hành vi sưng của tế bào túi.

(a) Kiểm tra thể tích （b）Kiểm tra độ dày

Hình 1. Sơ đồ thử nghiệm

Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thử nghiệm

1.1 Thiết Bị Thí Nghiệm

1.1 Máy đo thể tích khí tại chỗ, model GVM2200 (IEST), kiểm tra phạm vi nhiệt độ từ 20 ℃ ~ 85 ℃, hỗ trợ kiểm tra đồng bộ hai kênh (2 pin), giao diện của thiết bị được hiển thị trong Hình 2.

Hình 2. Hình thức bên ngoài của thiết bị GVM2200

1.2 Máy phân tích độ trương tại chỗ, model SWE2110 (IEST), hình dáng bên ngoài của thiết bị được thể hiện trong Hình 3.

Hình 3. Bề ngoài của thiết bị SWE2110

2. Quy trình kiểm tra

2.1Quá trình sạc và xả: 25℃ Nghỉ 5 phút; 1C CC đến 4,2V, CV đến 0,025C; nghỉ 5 phút; 1C DC đến 2,8V, hãy phân tích hành vi sưng của cùng một tế bào trong hai chu kỳ liền kề.

2.2 Thí nghiệm trương nở thể tích tế bào: Đo khối lượng ban đầu m₀ của ô, đặt ô cần kiểm tra vào kênh tương ứng của thiết bị, mở phần mềm MISG, đặt các tham số số ô và tần số lấy mẫu tương ứng với từng kênh và phần mềm sẽ tự động đọc dữ liệu thay đổi âm lượng và kiểm tra như nhiệt độ , dòng điện, điện áp và công suất.

2.3 Kiểm tra độ phồng của ô: Đặt ô cần kiểm tra vào kênh tương ứng của thiết bị, mở phần mềm MISS, đặt tham số số ô và tần số lấy mẫu tương ứng với từng kênh và phần mềm sẽ tự động đọc độ dày của ô, thay đổi độ dày, kiểm tra nhiệt độ và dòng điện, điện áp, công suất và các dữ liệu khác.

Phân tích tại chỗ về hành vi phồng của pin gói mềm

1. Hành vi phồng tế bào trong toàn bộ quá trình sạc và xả

Thực hiện phân tích sưng tại chỗ trên hai quá trình sạc và xả liên tục của cùng một tế bào. 

Thông tin thiết kế ô và thông tin dung lượng được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Thông tin thiết kế tế bào và thông tin dung lượng

Hình 4 (a) và (b) tương ứng hiển thị sự thay đổi âm lượng và thay đổi độ dày của tế bào trong quá trình sạc và xả. Trong quá trình sạc dòng điện không đổi, khối lượng và độ dày của tế bào pin tăng lên; trong quá trình điện áp không đổi, cả khối lượng và độ dày đều giảm; trong quá trình xả dòng không đổi, đường cong thay đổi âm lượng trước tiên cho thấy tăng và sau đó giảm, trong khi đường cong thay đổi độ dày trước tiên về cơ bản không thay đổi và sau đó giảm dần. Phần trăm thay đổi thể tích và độ dày của tế bào về cơ bản là giống nhau, cho thấy biến dạng theo hướng độ dày chủ yếu là do sự khử xen kẽ của lithium trong quá trình sạc và xả, từ đó cho thấy sự biến dạng thể tích tổng thể.

Hình 4. (a) Thay đổi điện áp và âm lượng trong quá trình nạp và xả; (b) Điện áp và độ dày thay đổi trong quá trình sạc và xả

2. Hành vi phồng tế bào trong quá trình sạc dòng điện liên tục

Trong quy trình sạc dòng điện không đổi, đường cong dung lượng chênh lệch, thay đổi âm lượng và đường cong thay đổi độ dày được thể hiện trong Hình 5 (a) và (b). Đỉnh của đường cong công suất chênh lệch tương ứng với sự thay đổi pha của vật liệu điện cực dương và âm trong quá trình chiết xuất lithium. Tại vị trí điện áp cực đại, độ dốc của đường cong thay đổi thể tích và độ dày cũng sẽ thay đổi tương ứng.

Hình 5. (a) Dung lượng chênh lệch và thay đổi âm lượng trong quá trình sạc dòng điện không đổi; (b) Công suất chênh lệch và độ dày thay đổi trong quá trình sạc dòng không đổi

3. Hành vi phồng tế bào trong quá trình sạc điện áp không đổi

Trong quy trình sạc điện áp không đổi, đường cong thay đổi dòng điện của tế bào và đường cong thay đổi thể tích và độ dày được thể hiện trong Hình 6 (a) và (b). Trong quá trình sạc điện áp không đổi, dòng điện giảm dần, sự phân bố nồng độ lithium giữa các lớp than chì dần dần đồng đều⁵, thể tích và độ dày của tế bào giảm dần và trở nên ổn định. 

Hình 6. (a) Dòng điện và âm lượng thay đổi trong quá trình sạc điện áp không đổi; (b) Dòng điện và độ dày thay đổi trong quá trình sạc điện áp không đổi

4. Hành vi phồng tế bào trong quá trình phóng điện liên tục

Trong quá trình xả dòng không đổi, đường cong công suất chênh lệch và đường cong thay đổi thể tích và độ dày được thể hiện trong Hình 7 (a) và (b). Khi bắt đầu xả, thể tích của pin mở rộng khoảng 0,3%, có thể là liên quan đến quá trình chuyển pha Hexagonal 3 → Hexagonal 2 gây ra bởi việc đưa các ion lithium vào vật liệu NCM trong quá trình phóng điện. Thể tích của vật liệu điện cực dương tăng nhẹ và sử dụng áp suất không đổi 15kg (~ 1MPa). Quần quèĐộ dày của tế bào pin về cơ bản không thay đổi ở giai đoạn xả ban đầu. Tương tự như hiện tượng trương nở của quá trình sạc, vị trí cực đại của đường cong dung lượng chênh lệch trong quá trình phóng điện cũng sẽ tương ứng với sự thay đổi độ dốc của đường cong thể tích và độ dày. Âm lượng và độ dày thay đổi trong quá trình sạc và xả không hoàn toàn đối xứng. Điều này là do sự thay đổi pha đảo ngược không hoàn toàn của vật liệu trong quá trình sạc và xả, dẫn đến một mức độ phồng không thể đảo ngược nhất định⁴.

Hình 7. (a) Công suất chênh lệch và thay đổi âm lượng trong quá trình xả dòng không đổi; (b) Công suất chênh lệch và độ dày thay đổi trong quá trình xả dòng liên tục

Bản tóm tắt

Trong bài báo này, máy theo dõi thể tích khí tại chỗ (GVM) và máy phân tích độ phồng tại chỗ (SWE) được sử dụng để phân tích độ phồng thể tích và độ dày trong quá trình nạp và xả của tế bào túi, có thể đặc trưng cho độ phồng có thể đảo ngược và sưng không thể đảo ngược trong thời gian thực, đồng thời giúp các nhà phát triển Phân tích hành vi sưng của tế bào ở các chiều khác nhau.

Những tài liệu tham khảo

1. Ruihe Li, Minggao Ouyang et al. Biến dạng âm lượng của Pin Lithium Ion khổ lớn theo các đường suy thoái khác nhau. Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa,2019, 166 (16) A4106-A4114

2. Shiyao Zheng, Yong Yang et al. Mối tương quan giữa phạm vi dài và thay đổi cấu trúc cục bộ trong vật liệu phân lớp giàu Ni trong quá trình nạp và xả.J. Nguồn điện.2019, 412, 336–343;

3. Y. Reynier, R. Yazami, B. Fultz. Entropy và entanpy của sự xen kẽ lithium vào than chì.Tạp chí Nguồn Điện .2003, 119–121 850–855

4. Jan N. Reimers và JR Dahn. Các nghiên cứu về nhiễu xạ tia X và điện hóa tại chỗ về sự xen kẽ của liti trong LixCoO2. Tạp chí Điện hóa xã hộivà, 1992, 139, 8

5. Haifeng Dai, Chenchen Yu, Xuezhe Wei, Zechang Sun. Ước tính trạng thái sạc cho pin túi lithium-ion dựa trên phép đo ứng suất.Năng lượng, 2017, 129, 16.