バッテリーセルのサイクル寿命に対する外部応力の影響
リチウムイオン電池の充放電サイクルプロセスは複雑な物理的および化学反応プロセスであり、サイクル寿命に影響を与える要因は数多くあります。一方で、それは材料特性、電極設計、電池製造プロセスなどの電池自体の特性に関係します。一方で、使用中のバッテリーの外部影響にも関係します。この記事は主に、外圧の変化からバッテリーのサイクル寿命に最適な条件を見つけることを目的としており、バッテリーとモールドパックの使用に関する一定の指針を提供します。
1. 実験装置及び試験方法
1.1 実験装置: 次の図に示すように、その場膨潤分析装置、モデル SWE2110 (IEST )。
SWE2110装置外観
1.2 テスト情報とプロセス
1.2.1 セル情報を表 1 に示します。
表 1. テストセルの情報
1.2.2 充放電プロセス
1.2.3 実験手順
セル厚膨張テスト：テストするバッテリーをSWE2110の対応するチャンネルに置き、MISSソフトウェアを開き、異なるテスト圧力、サンプリング周波数、充放電プロセスなどを設定すると、ソフトウェアが自動的にセル厚、厚さの変化を読み取ります。 、テスト温度、電流、電圧、容量、その他のデータ。
2. 実験結果と分析
の -situ膨潤分析装置（SWE2110 ）は定圧モードをオンにし、圧力を5.0kg、10kg、25kg、50kg、100kg、200kgに設定し、圧力を1時間保持した後、バッテリーセルを充放電します。 、プロセス全体の厚さの変化をその場で監視します。図2に示すように、サイクル全体を通じて、リチウムの挿入および脱離のための正極材料と負極材料の相転移により、バッテリーセル全体が充電膨張および放電収縮の傾向を示します。これは主に、シリコンカーボン負極の相反的かつ可逆的な体積変化によるもので、リチウムを挿入した後に膨張し、脱リチウム化後に体積が回復します。
圧力が異なると、セルの厚さが異なります。外圧が増加すると、セルの最大厚さは徐々に減少します。外部圧力により、活物質とセパレーターの間の相対密度と接触面積が増加します。これにより、界面抵抗が最小限に抑えられるだけでなく、充電および放電中の均一な電流分布が保証されるため、異なる圧力下での電池サイクル寿命の減衰の程度が低下します。も異なります。同じ圧力下では、セルの各サイクルの最大膨張はサイクル数とともに連続的に増加します。これは、充放電プロセス中にセルが不可逆的に膨張することを示しており、サイクル数が増加し続けると、
図3は、圧力による不可逆膨張の厚さの変化を示しています。圧力が増加すると、バッテリーの充放電による不可逆膨張に一定の変化が生じます。つまり、適切な圧力は不可逆膨張を抑制するのに役立ちます。圧力切り替えプロセス中に、不可逆膨張には急激な変化点があり、圧力が増加すると急激な変化がより顕著になります。これは、バッテリーが圧力によって安定状態に達するまでに必要な時間の差に関連している可能性があります。スイッチ。不可逆膨張厚さは、主にアノード材料の構造変化、活物質の断片化と溶解を含む、リチウム化/脱リチウム化のプロセスにおける永久的な塑性変形と亀裂の形成です。
この実験ではシリコンカーボンアノードを使用しており、充放電電流はわずか0.5Cであるため、この実験における不可逆膨張は主にアノード材料の亀裂とSEI膜の再結合によって引き起こされます。サイクリングが進行するにつれて、これらの副反応と減衰が蓄積し、その結果、セルの厚さが不可逆的に増加します。
図 2. さまざまな圧力サイクル下でのセルの厚さ変化曲線
図 3. セルの不可逆的な厚さの変化曲線
適切な外部ストレスにより、界面接触が増加し、サイクリング中の活性リチウムの損失が減少し、バッテリー容量の低下が遅くなります。&注意 ;&注意 ;同時に、リチウムイオン電池の正極、負極、セパレータはすべて多孔質構造です。圧力が増加すると、電極やセパレーターの多孔性や屈曲性などのパラメーターがそれに応じて変化し、李 + の拡散に影響を及ぼし、容量低下が発生します [1]。圧力は、電極の電気接触抵抗、多孔性、有効表面積、さらにはセパレーターの形態に影響を与えます。したがって、セルへの外部圧縮は、サイクル寿命を含む電気化学的性能に影響を与える可能性があります。
各圧力点で異なるサイクル数でセルの放電容量を抽出し、線形フィッティングを実行します。結果を図 4 に示します。圧力が増加すると、セル容量の直線フィッティング曲線の傾きが最初に増加します。すなわち、放電容量減衰率は、最初は減少し、その後増加する傾向を示す。&注意 ;&注意 ;バッテリーに対する機械的ストレスの影響は何度も研究されており、明らかにバッテリーの性能に大きな影響を与えています。セルにある程度の圧力を加えると、不可逆的な膨張が軽減され、グラファイトおよびシリコンベースのアノードのセル性能が維持されます。ただし、セルに過度に高いストレスを加えると、容量保持に悪影響を及ぼす可能性があります。
研究によると、測定された初期電池の厚さは理論上の厚さよりも約 5 ～ 15% 厚いことが示されています。この差は主に、電解質の充填、ガスの形成、および電極界面での空隙によって引き起こされるバインダーとセパレーターの膨潤によるものです。 。外部圧力により、電極の界面空隙が減少し、接触面積が増加します。&注意 ;&注意 ;したがって、電池は小さな圧力で圧縮され、厚さが減少するため、接触抵抗が減少し、電池のサイクル性能が向上します。圧力が増加し続けると、電極とセパレーターの多孔性と曲がりが変化し、李 + の拡散に影響を及ぼし、その結果、容量の低下が加速します。電池の容量減衰は、50kg~100kgの外部応力下で最も小さく、つまりこの圧力が電池にとって最適な外圧となります。
図 4. バッテリーセルの各圧力容量の減衰曲線
3. 実験装置及び試験方法
この論文では、IEST の の -現場 膨潤分析装置 (スウェーデン ) を使用して、LCO /シック システムセルの最適なサイクル外部ストレス条件を調査しました。&注意 ;&注意 ;セルが50kg〜100kgの外部応力の下で長いサイクルにさらされた場合、その容量の減衰と不可逆的なサイクルの拡大が最も小さく、これは関連する技術者にシリコンベースのシステムセルのサイクルを改善するアイデアを提供します。シリコンベースのシステムの実用化をさらに強化します。
4. 参考資料
[1] として ムッサ、M・クレット、G. リンドバーグ 、RW リンドストローム 、単層リチウムイオンパウチセルの性能と経年劣化に対する外圧の影響。J. パワーソース 385 (2018) 18-26.&注意 ;
[2] DJ 李 、DL ダニロフ 、J. 謝 、L. ライジメーカー 、L. ガオ 、Y. ヤン 、および PHL ノッテン 、C6/LiFePO4 電池の劣化メカニズム: カレンダー老化の実験的分析。電気化学。アクタ 190 (2016) 1124-1133。&注意 ;