異なる剛性限界（線形モード）がセルの性能に及ぼす影響

リチウムイオン電池の充放電プロセス中、正極材料と負極材料はリチウムの脱離を継続し、その結果、粒子の体積が変化し、同時に電池セルの厚さが変化し、同時に電池の経年変化が起こります。バッテリーセルの厚さは、セイ フィルムの厚さ、ガスの生成、リチウムの析出に伴って増加します。バッテリーセルが一定の空間に閉じ込められている場合（実用シナリオ）、その空間の外壁に一定の力（膨張力）が発生し、この膨張力がバッテリーセルのサイクル性能や安全性に影響を与えます。一般に、バッテリーセルのスペースを制限するコンポーネントはある程度の剛性を持ち、ある程度の変形も受けます。バッテリーパックのシェルやモジュールの留め具など。剛性の概念を説明するために、バネを例に挙げます。ばねの剛性 K は、ばねの力 F とその変形 δ の比、つまり K=F/δ として定義されます。一般に、バッテリパックのシェルが金属板であり、バッテリが一定の空間内に制限されていると仮定すると、剛性ｋは定数であると考えられる。金属板の厚さは H、弾性率は E、金属板の面積は A です。変形 δ のもとで必要な力を F とすると、次のようになります。一般に、バッテリパックのシェルが金属板であり、バッテリが一定の空間内に制限されていると仮定すると、剛性ｋは定数であると考えられる。金属板の厚さは H、弾性率は E、金属板の面積は A です。変形 δ のもとで必要な力を F とすると、次のようになります。一般に、バッテリパックのシェルが金属板であり、バッテリが一定の空間内に制限されていると仮定すると、剛性ｋは定数であると考えられる。金属板の厚さは H、弾性率は E、金属板の面積は A です。変形 δ のもとで必要な力を F とすると、次のようになります。

金属板のひずみはε=δ/Hです。

金属板の応力はσ=Eε=Eδ/Hとなります。

金属板にかかる力は、F = Aσ = AEδ / H となります。

すると、金属板の剛性は、Ｋ＝Ｆ／δ＝ＡＥ／Ｈとなる。

したがって、剛性の大きさは、部品または構造部材の形状 (金属板の厚さ H や面積 A など) と材料の種類 (材料の弾性率 E) によって決まります。

IESTが発売したその場膨潤分析装置（スウェーデン）には定圧試験モードと定ギャップ試験モードがあり、一定圧力下でのセルの厚さの変化を監視したり、限られた一定変位ギャップ下での圧力の変化を監視したりできます。これら 2 つのモードはバッテリーの膨張プロセスを効果的に検出できますが、実際のアプリケーション シナリオでは構造自体の変形は考慮されていません。したがって、バッテリーの性能に対するさまざまな閉じ込め度の影響を迅速にシミュレートするという観点から、IEST はその場で腫れアナライザー (スウェーデン) は新しい制御モード (リニア) を導入しました。腫れモード): 直線性 K 値 (圧力対厚さの比) サイズを調整することで、セル上のさまざまな剛性境界の制約のシミュレーションを実現し、同時に圧力、厚さ、電気的特性、その他のパラメーターをその場で監視します。 。この論文では、2 つの異なる K 値と一定ギャップ モードの実験が選択され、3 つの間のバッテリー寿命への影響の違いが比較および分析されました。

1 試験情報

1.1 試験装置

現場で腫れ分析装置モデル SWE2110 (IEST) は、50 ～ 10000N の圧力範囲を適用でき、温度は -20℃ ～ 80℃ まで制御できます。図1に装置の外観を示します。

図 1. で-現場 膨潤分析装置の概略図

1.2 テストパラメータ

1.2.1 バッテリ情報を表 1 に示します。

1.2.2 充電および放電プロセス: 25°C で 10 分間。1.0Cで4.2Vまで充電し、カットオフ電圧、カットオフ電流0.05Cに達した後も定電圧で充電を続けます。10分間放置し、1.0C、カットオフ電圧3.0Vで放電し、同時にその場膨潤分析装置を起動すると、ソフトウェアはセルの膨潤厚さ、膨張力、電流、電圧、容量などのデータを自動的に読み取ります。

1.2.3 線形膨潤モードの説明: K 値の単位は kg/んん であり、この実験での設定値は 500kg/んん と 2000kg/んん です。腫れ異なる幾何学的形状と弾性率を備えたバッテリーのスペースが限られた構造部品のシーンにおけるバッテリーのプロセス。K 値調整は、バッテリーの充電および放電プロセス中にのみ有効になります。定圧モードまたは定ギャップモードは、バッテリーコアの保管プロセス中に設定できます。この実験では、線形膨張モードの開始閾値は、厚さの変化が 3 μm を超え、圧力の変化が 0.5 kg を超えることであり、一定ギャップ モードはバッテリーセルの棚プロセス中に設定されます。

2. 結果の分析

3 つの並列セルを選択し、その場膨潤解析システムを開始し、対応するテスト モード (一定ギャップ、リニア モード) 実験を選択し、初期予荷重力を 100kg に設定し、厚さ、圧力、および電気的性能パラメーターをリアルタイムで同期してテストします。実験は初期容量の 80% に達したときに停止されました。図2に示すように、一定ギャップモードでは電池の膨潤スペースが制限され、ギャップは±1μmの範囲内で制御され、膨潤力はサイクルとともに連続的に増加します。線形膨張モードは、バッテリースペースを制限する構造部品（異なる厚さおよび材質の金属プレートなど）における特定の剛性の存在をシミュレートし、サイクルプロセス中に膨張力と膨張厚さがリアルタイムで変化します。実際の応用シーンに近いものになります。また、線膨潤係数（K値）が変化すると膨潤力や膨潤厚みの変化量が異なります。K=2000の場合、構造部品の剛性が大きい、つまり同じ形状下では弾性率が大きいことを意味し、構造部品自体の変形が小さいため、電池が膨張する際の圧力が高くなります。 。Ｋ＝５００の場合は、構造部品の剛性が小さい、すなわち弾性率が小さいことを意味し、構造部品自体の変形が大きくなる。したがって、電池が膨張すると厚さの変化が大きくなり、圧力が小さくなります。同時に、K 値が異なると、機器制御に対する応答が異なることがわかりました。

図 2. 2 つのテスト モードの圧力と厚さの変化の傾向

リニア モード (K500) では、最初の 5 サイクルが選択され、図 3 に示すように、時間の経過に伴う電圧、圧力、厚さ、K 値の関係が分析されます。充電と放電が進行するにつれて、セルの圧力と厚さは周期的な変化を示します。 、圧力と厚さは線形です。これは、シミュレーションが可能であることを示しています。腫れ剛性値 K=500 の拘束された構造部材の実際のシーンでのバッテリーの収縮プロセス。

図 3. 電圧、圧力、厚さ、K 値の変化曲線 (最初の 5 サイクル)

セルの場合腫れ厚さと膨潤力は容量維持率に関連しており、図 4 に示すように各サイクル中の最大圧力と厚さの変化が抽出されます (実線は容量維持率、点線は圧力と厚さ)。年齢、最大腫れ線形における細胞の力腫れモードは全体的に減少傾向を示し、最大値は腫れ厚さは増加する傾向があります。の腫れ一定ギャップモードでのセルの力は増加傾向を示し、腫れ力の値は 3 つのモードの中で最も大きくなります。セルの外部圧力が増加すると、活物質と隔膜の間の相対密度と接触面積が増加し、界面抵抗と界面での一部の副反応も減少します。同時に、電極の細孔サイズや多孔率などの電極のパラメータも変化し、充電および放電中のセルのイオン透過容量に影響を与えます。リニア モード (K500) および一定ギャップ モードでは、容量維持曲線は次のようになります。"変曲点"、そしてメカニズムのこの部分は、外部圧力と相関付けるためにさらなる分析と検証が必要です。

図 4. (a) 容量保持率と最大膨潤力曲線 (b) 容量保持率と最大膨潤力曲線腫れ厚さ変化曲線

図 5 に示すように、各モードの最初のターン (ボル) サイクルと最後のターン (EOL) サイクルをさらに分析すると、次のようになります。腫れリニアモードでの EOL の力は ボル の力より小さいですが、一定のクリアランスではその逆が当てはまり、異なる制御方法が最大値に大きな影響を与えることを示しています。腫れ力。また、最大値との差は、腫れEOL の厚さと ボル の初期厚さを比較して、モジュール パック 内のクッション綿の厚さの選択と関連付けて、モジュールがライフサイクル全体にわたって適切な機械的強度を確保できるようにすることもできます。

図 5. ボル および EOL 細胞の膨潤力および膨潤厚さの曲線の 3 つのモード (実線は厚さ、点線は圧力)

3. まとめ

この論文では、現場の線形モード腫れアナライザ (SWE2110) は、異なる剛性を持つ材料のセルへの結合をシミュレートし、膨潤の厚さの変化を監視するために使用されます。腫れライフサイクル全体にわたって力を加え、実験結果を実際の作業条件に近づけ、設計者がより適切なソリューションを設計するのに役立ちます。

4. 参考文献

[1] 梁 ハオビン、ドゥ 建華、ハオ シン、他。リチウム電池の膨張形成メカニズムの研究状況[J]。エネルギー貯蔵科学技術、2021.土肥:10.19799/j.クンキ.2095-4239.2020.0358。

[2] ヴェンシュ M、カウフマン J、ザウアー DU 。自動車用パウチセルの異なる固定がサイクル寿命とインピーダンススペクトルに及ぼす影響の調査[J]。の ジャーナル の エネルギー ストレージ、2018、21(2月.):149-155 .土肥: 10.1016/j.EST（東部基準時.2018.11.019。

[3] 張 ジュン、曽 ユンル、ゾウ 順張、他。適切な圧力下でのソフトパックリチウム電池の膨張と寿命に関する研究 [J]。電源テクノロジー、2019、43(10):4.土肥:CNKI:太陽:DYJS .0.2019-10-020。