Phân tích mối tương quan giữa hiệu suất phồng của các ô pin riêng lẻ và các ô pin mô-đun
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng mới, các phương tiện chạy bằng lithium-ion đã được sử dụng rộng rãi và hiệu suất an toàn của pin lithium-ion ngày càng trở nên quan trọng. Trong chu kỳ sạc và xả dài hạn của một mô-đun bao gồm các ô pin riêng lẻ được kết nối nối tiếp hoặc song song, các ô này sẽ bị phồng lên ở một mức độ nhất định do khai thác lithium và tạo khí, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ bền kết cấu của vỏ mô-đun . Trong bộ ắc quy hoặc hệ thống xe, nếusưng tấylực của một pin quá lớn, nó có thể làm vỡ lớp vỏ bên ngoài và gây ra rủi ro về an toàn. Vì vậy, việc giám sát cácsưng tấyhiệu suất là cần thiết trong các bài kiểm tra chu kỳ dài hạn của pin. Do các tế bào pin được kết hợp thành các mô-đun pin với số lượng khác nhau và cấu hình song song nối tiếp khác nhau và lực siết trước của các mô-đun được thiết kế khác nhau cũng sẽ khác nhau, nên cần tiến hành thử nghiệm trên một số yếu tố ảnh hưởng đếnsưng tấyhiệu suất để khám phá sơ bộsưng tấyquy luật biến thiên của các ô-mô-đun pin, kết hợp với mô phỏng và mô hình hóa, có thể giúp thiết kế các mô-đun tốt hơn. Thí nghiệm này cung cấp dữ liệu cơ bản cho dự đoán và mô phỏng mô-đun pinsưng tấylực bằng cách so sánhsưng tấyđộ dày vàsưng tấytương quan lực của một ô và nhiều ô trong quá trình sạc và xả.
Hình 1. Sơ đồ của ô đơn và mô-đun
1. Thiết bị thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm
1.1 Thiết bị thí nghiệm: Máy phân tích độ trương nở tại chỗ, model SWE2110 (IEST), hình dáng thiết bị được thể hiện trong Hình 2.
Hình 2. Bề ngoài của thiết bị SWE2110
1.2 Quy trình thử nghiệm
1.2.1 Thông tin về ô được thể hiện trong Bảng 1
Bảng 1. Thông tin tế bào thử nghiệm
1.2.2 Quá trình phóng điện: 25°C Nghỉ 60 phút; 0,5C CC đến 4,35V, CV đến 0,05C; nghỉ ngơi 30 phút; 1.0C DC đến 3.0V.
1.3 Kiểm tra độ phồng độ dày của ô: Đặt ô cần kiểm tra vào kênh tương ứng của thiết bị, mở phần mềm MISS, đặt các 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, sự thay đổi độ dày , kiểm tra nhiệt độ, dòng điện, điện áp, công suất và các dữ liệu khác.
2. Quá trình thực nghiệm và phân tích dữ liệu
Như được hiển thị trong Hình 3, nhìn chung có ba chế độ để kiểm tra độ phồng của pin và mô-đun: (a) đo độ phồng tự do mà không có bất kỳ hạn chế nào: (b) đo độ phồng của pin với tải trước không đổi; (c) khoảng cách không đổi Phép đo độ phồng của pin.
Phân tích lực của ba tình huống trong điều kiện cân bằng được thể hiện trong Hình 3. Trong trường hợp đầu tiên, lớp vỏ bên ngoài hạn chếsưng tấycủa lõi trong, lực tác dụng lên vỏ ngoài và lõi cân bằng, ngoại lực bằng không; Trong cả hai trường hợp, tải trước bên ngoài (F0) được áp dụng cho ô, gây ra sự dịch chuyển ban đầu của vỏ ô (s0 và s0, c trong Hình 3b) và các tấm liên kết phía pha tăng hướng vuông góc với các điện cực Độ cứng tương đương KS ở trên, lực siết trước F0 trong điều kiện cân bằng (giống như lực Fs của bản ràng buộc hai bên) bằng tổng lực tác dụng lên lõi dây quấn và vỏ pin; trong trường hợp thứ ba, khi đo khoảng cách liên tục, bởi vì khoảng cách Trong điều kiện cố định,sưng tấycủa lõi dây quấn và vỏ pin khi pin nở ra cũng khác so với ở điều kiện tự do.
Nói tóm lại, vì mô-đun là sự kết hợp của nhiều pin, nên miếng đệm nhựa giữa vỏ pin và pin sẽ co lại và giãn ra trong quá trình chịu lực. Độ dày và lực thử nghiệm làsưng tấyvà sự co lại của sự xen kẽ lithium và sự giải hấp của các điện cực vàsưng tấyvà sự co lại của các thành phần khác là kết quả tổng hợp. Trong bài báo này, các chế độ kiểm tra áp suất không đổi và khe hở không đổi được sử dụng để nghiên cứu mối tương quan giữa monome và mô-đun.
Hình 3 Ba chế độ kiểm tra độ phồng của thiết bị mô-đun và ô.
2.1 Khảo sát mối tương quan giữa độ dày trương nở của monome và mô-đun
Như được hiển thị trong Hình 4, để mô phỏng lớp xen kẽ giữa các ô đơn lẻ, một màng PET màu trắng đã được dán lên các ô trước khi thử nghiệm. Phương pháp kiểm tra sự chồng chất của các ô được thể hiện trong Hình 5. Bật máy phân tích độ phồng tại chỗ (SWE2110), đặt chế độ áp suất không đổi 200kg, nạp và xả song song, đồng thời kiểm tra sự thay đổi độ dày phồng của từng ô và các ô xếp chồng lên nhau tại chỗ, như trong Hình 6: đường liền nét là điện Đường cong sưng thực tế của lõi, đường chấm chấm là đường cong chồng chất phù hợp (tổng số học). Từ kết quả, cả ô đơn và ô xếp chồng lên nhau đều cho thấy hiện tượng phồng điện tích và co lại phóng điện, nguyên nhân chủ yếu là do sự phồng và co cấu trúc của than chì và vật liệu bậc ba do quá trình khử xen kẽ lithium gây ra.
Hình 4.Sơ đồ pin với màng PET
Hình 5. Sơ đồ xếp chồng tế bào
Hình 6. Đường cong biến thiên của độ dày phồng của từng ô pin và sau khi xếp chồng lên nhau
2.2 Khảo sát mối quan hệ giữa lực trương nở của monome và mô-đun
Đặt chế độ khoảng cách không đổi, sạc và xả song song và kiểm trasưng tấythay đổi lực của ô đơn và ô xếp chồng lên nhau trong quá trình sạc và xả tại chỗ, như thể hiện trong Hình 7. Từ kết quả, khi số lượng ô xếp chồng lên nhau trong mô-đun tăng lên, tổng lực trương của mô-đun tiếp tục tăng tăng, nhưng giá trị tuyệt đối của lực trương nở của ô mô-đun không có mối quan hệ bội số với lực trương nở của một ô. Nó nhỏ hơn tổng lực trương nở của nhiều ô đơn lẻ và càng nhiều ô được xếp chồng lên nhau thì chênh lệch về giá trị tuyệt đối càng lớn. Đây có thể là điều kiện biên để kiểm soát khe hở không đổi, điều này sẽ làm cho các ô trong mô-đun Trạng thái của ô pin khác với trạng thái của một ô pin khi được sạc và xả, ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa, và lý do của sự khác biệt cần được tìm hiểu thêm. Dung lượng của các ô riêng lẻ trước khi nhóm và dung lượng của các ô riêng lẻ sau khi nhóm có thể được xem xét và so sánh cùng một lúc. Áp suất sau khi xếp chồng không tăng tuyến tính, điều này có thể là do áp suất chồng chất của các tế bào sau khi xếp chồng đạt đến giá trị tới hạn. Nén không gian giữa các mảnh cực hoặc thậm chí nhiều kích thước vi mô hơn chắc chắn sẽ được phản ánh trong hiệu suất của pin!
Hình 7. Đường cong biến thiên củasưng tấylực của từng ô pin và sự chồng chất
Từ các kết quả trên, mô-đun hoặc GÓI được lắp cố định trong vỏ hộp pin và các miếng đệm giữa các ô đơn lẻ sẽ có tác động tương đối lớn đến lực tổng thể vàsưng tấycủa mô-đun. Thiết kế mô-đun pin tuyệt vời có thể loại bỏsưng tấycủa các tế bào đơn lẻ. Gần đây, pin Kirin do CATL tung ra đã tích hợp các nhu cầu sử dụng, kết hợp các dầm ngang và dọc, các tấm làm mát bằng nước và các tấm cách nhiệt thành một, đồng thời tích hợp chúng thành một lớp xen kẽ đàn hồi đa chức năng. Một thiết bị kết nối cầu nối siêu nhỏ được tích hợp trong lớp xen kẽ, có thể phối hợp linh hoạt với nhịp thở của lõi pin để mở rộng và co lại tự do, đồng thời cải thiện độ tin cậy của vòng đời pin.
Hình 8. Lớp xen kẽ đàn hồi đa chức năng của pin Kirin trong CATL
3. Tóm tắt
Trong bài báo này, máy phân tích sưng tại chỗ (SWE) được sử dụng để phân tích độ dày trương và lực trương của cùng một tế bào đơn hệ thống và số lượng tế bào mô-đun khác nhau trong quá trình sạc và xả. Người ta thấy rằng độ dày phồng của các ô mô-đun ở chế độ áp suất không đổi. Xu hướng thay đổi có thể phù hợp với tổng số học một ô, nhưng phương pháp khớp số học đơn giản không được thỏa mãn ở chế độ khe hở không đổi, khác với lực của một ô trong chế độ đo của hai điều kiện biên. Bước tiếp theo Bạn có thể tiếp tục khám phá mô hình lực dưới các chế độ kiểm tra khác nhau và phân tích chi tiết hơn quá trình trương nở của điện cực.
Tài liệu tham khảo
1.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, và Kai Wu. Lực trương nở trong Pin Lithium-Ion,TRONG. KS.Chem. độ phân giải,2020, 59, 27, 12313–12318.
2.Ôi KY, Epureanu BI, Siegel JB, và cộng sự. Các mô hình hiện tượng lực và sưng cho các tế bào pin lithium-ion có thể sạc lại[J]. Tạp chí Nguồn điện, 2016, 310(Apr.1):118-129.
3.Martin Wunscha, Kaufmana, Dirk Uwe Sauer. Điều tra ảnh hưởng của các thanh giằng khác nhau của các tế bào túi ô tô đối với quang phổ trở kháng và thời gian theo chu kỳ. Tạp chí Lưu trữ Năng lượng 21 (2019) 149–155.
4. Qiu Shitao, Chen Chaohai, Jiang Jibing.Ảnh hưởng của hiệu suất bọt đối với lực giãn nở của mô-đun pin.Guangdong Chemical Industry, 2020, 47(22): 1-3d