角形LFPバッテリーセルのその場膨張および温度変化解析

リチウムイオン電池の充放電プロセスでは、リチウムイオンの継続的な挿入と放出により、電池内部の応力が増減します。不可逆応力がある程度蓄積すると、粒子の破損やリチウムの析出を引き起こし、電池の使用可能容量や寿命が低下します。^1-3。&注意 ;バッテリーセルが電気自動車や 3C 電子製品に梱包される場合、筐体やその他のコンポーネントのスペースの制約により、バッテリーセルはさまざまな程度に圧迫され、その後の使用時のバッテリーセルの性能変化に影響を与えます。

この論文では、現場膨潤分析装置 (スウェーデン ) を使用して、異なる初期予荷重 (60 kg /90 kg /120 kg ) およびシェルの異なる充放電速度下でのバッテリーセルの膨潤力と温度変化をテストします。リン酸鉄リチウム電池セルを作製し、セルの膨張と温度上昇挙動を解析します。

図 1. LFP システムのバッテリーセルの概略図

試験情報

1. 試験装置:5~1000kgの圧力範囲を印加できる現場膨潤測定装置SWE2110型(IEST )の外観を図2に示します。

図2：SWE2110装置の外観

2. テストパラメータ

2.1 バッテリー情報: LFP /グラファイト 40Ah 角形シェルバッテリー

2.2 テスト計画:膨潤力と温度は、同じ倍率で予荷重が異なると変化します (60kg/90kg/120kg)。異なる倍率（1C、1.5C、2.5C）下での同じ予荷重（60kg）の膨潤力と温度の変化。バッテリーの充電と放電サイクルにおける電圧と電流の変化を図 3 に示します。

図 3: バッテリーの充電と放電の概略図

2.2 セル厚さ膨潤試験:テストするセルをデバイスの対応するチャネルに置き、逃す ソフトウェアを開き、各チャネルに対応するセル番号、サンプリング周波数、テスト圧力、その他のパラメータを設定すると、ソフトウェアがセルの厚さ、厚さなどのデータを自動的に読み取ります。変化、温度、電流、電圧、容量。

結果分析

1. 異なる初期予荷重条件下でのセルの膨張曲線と温度変化曲線

バッテリーセルは、3 つの異なる初期予負荷条件下で 1C 充電および放電テストを受けました。現場で測定した膨潤曲線、温度変化、および微分容量曲線を図 4 に示します。図 4(a) から、初期の仮締め力の増加に伴い、最大膨潤力の変化がわかることがわかります。充放電中のセルも徐々に増加します。これは主に、仮締め力が大きくなるほど、セルの初期ギャップが小さくなるためです。値が小さいほど、リチウムの挿入および脱離のプロセス中の電池の構造的膨張がより制限されます。

図4(b)では、充放電過程における3つの条件下で電池表面の温度が上昇しており、電池内部に電流が流れていることがわかり、電池表面の温度は約3℃になります。 ℃。休止期間中に電流を取り除くと、表面温度はゆっくりと低下します。図4(c)の充放電過程における微分容量曲線のピーク位置の変化を見ると、初期予圧が60kg、90kg、120kgと増加するにつれて、ピーク位置が最初は左にシフトし、その後左にシフトしていることがわかります。は変化せず、ある程度のプリロードがセルの分極を軽減するのに有益であることを示しています。

適度な圧力は粒子間の電気的接触を改善し、電極層の剥離を防ぎ、電極層からガスを排出しますが、圧力が高すぎると、圧縮によりイオンの透過が妨げられ、イオン抵抗が増加します。また、圧力分布が不均一になると、ダイヤフラムの細孔が閉じてしまい、電流分布が不均一になり、局所的にリチウムが析出する原因となります。

さらに、初期圧力が異なると、長期サイクル中のバッテリーの応力進展特性も異なります。閉じ込め圧力が高いと、バッテリーサイクルが急速に悪化し、容量が急速に低下します。ただし、圧力を加えない場合と比較して、適切な圧力を加えることでバッテリーのサイクル安定性と容量維持率を向上させることができます。

図 4. 3 種類の予荷重条件下のセル (a) 膨潤力曲線。(b) 温度変化曲線。(c) 微分容量曲線。

1. 異なるレート条件下でのセルの膨張と温度変化の曲線

3 つの異なる充電および放電速度条件下でのバッテリーセルの膨潤力、温度、および微分容量曲線を図 5 に示します。バッテリーは異なる速度で充電および放電されます。充電率の増加に伴い、セルの最大膨潤力は約 144kg から 164kg に増加し、セルの表面温度の上昇がより顕著になります。

レートが 2.5C の場合、最大温度上昇は約 15°C であり、バッテリーセルの充電プロセス中の微分容量曲線のピーク位置は徐々に右にシフトします。上記の情報は、充電速度と放電速度がバッテリーセルの膨張力、温度、分極に異なる影響を与えることを示しています。

図 5. (a) 膨潤力の変化。(b) 温度変化。(c) セルの異なる充電および放電速度での微分容量曲線。

要約する

充放電速度が電池の膨張力に及ぼす影響は、可逆的膨張と不可逆的膨張の 2 つの側面から考慮されます。可逆的膨潤とは、電極の脱リチウム化およびリチウムインターカレーションの現象による電極材料格子の体積変化を指します。

不可逆的な膨張には、セイ フィルムの成長、界面樹枝状結晶の形成、ガスの発生、不可逆的な損傷によって引き起こされる粒子の断片化と剥離が含まれます。充放電速度の増加により活物質粒子表面に多量のリチウムイオンが蓄積し、粒子内部と表面の濃度差が増大し、一方では、表面にリチウム樹枝状結晶が存在します。

一方、濃度差が大きくなると粒子にかかる応力も大きくなります。応力が大きくなるほど、粒子に亀裂が入ったり、壊れたりしやすくなり、その結果、不可逆的な構造的損傷が発生し、リチウム電池が膨張します。

参考資料

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