個々の電池セルとモジュール電池セルの膨潤性能の相関関係の解析

新エネルギー産業の急速な発展に伴い、リチウムイオン自動車の普及が進み、リチウムイオン電池の安全性能の重要性が高まっています。直列または並列に接続された個々のバッテリーセルで構成されるモジュールの長期充放電サイクル中に、リチウムの抽出とガスの発生によりセルはある程度の膨張を経験し、モジュールケースの構造強度に影響を与えます。 。バッテリー パックまたは車両システム内で、腫れ単一のバッテリーの力が大きすぎると、外装ケースが破裂し、安全上の危険が生じる可能性があります。したがって、腫れバッテリーの長期サイクルテストでは性能が要求されます。バッテリーセルは、異なる数量および異なる直並列構成でバッテリーモジュールに組み合わされ、異なる設計のモジュールの仮締め力も異なるため、影響を与えるいくつかの要因について実験を行う必要があります。腫れを事前に探索するためのパフォーマンス腫れバッテリーセルモジュールの変動の法則をシミュレーションとモデリングと組み合わせて、モジュールをより適切に設計するのに役立ちます。この実験は、電池モジュールの予測とシミュレーションのための基礎データを提供します。腫れを比較して力を加える腫れ厚さと腫れ充電および放電中の単一セルとマルチセルの力相関。

図 1. 単一セルとモジュールの概略図

1. 実験装置及び試験方法

1.1 実験装置: 現場膨潤分析装置、モデル SWE2110 (IEST)、装置の外観を図 2 に示します。

図2. SWE2110装置の外観

1.2 試験手順

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: 25°C 60 分間休止。0.5C CC ～ 4.35V、履歴書 ～ 0.05C; 30分休憩。DC1.0C～3.0V。

1.3 細胞厚膨潤試験: 試験対象の細胞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細胞数とサンプリング周波数パラメータを設定すると、ソフトウェアが自動的に細胞の厚さ、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. 実験プロセスとデータ分析

図 3 に示すように、セルおよびモジュールの膨張テストには一般に 3 つのモードがあります。(a) 制約のない自由膨張の測定。(b) 一定の予荷重によるバッテリー セルの膨張の測定。(c) 一定ギャップ バッテリーセルの膨張測定。

バランスの取れた条件下での 3 つの状況の力の分析を図 3 に示します。最初のケースでは、外側のシェルが力を制限します。腫れ内核の場合、外殻と核にかかる力は釣り合い、外力はゼロになります。どちらの場合も、外部予荷重荷重 (F0) がセルに適用され、これによりセルケースの初期変位 (図 3b の s0 および s0,c) が発生し、位相側の結合プレートによってセルに垂直な方向が増加します。電極 上記の等価剛性 KS、平衡状態での事前締め付け力 F0 (両側の結合バージョンの力 Fs と同じ) は、巻芯とバッテリー ケースにかかる力の合計に等しくなります。3 番目のケースでは、ギャップを常に測定する場合、一定の条件下ではギャップが腫れ電池が膨張したときの巻芯と電池ケースの形状も自由状態とは異なります。

つまり、モジュールは複数のバッテリーを組み合わせたものであるため、バッテリーケースとバッテリーの間のプラスチックガスケットは応力プロセス中に収縮および膨張します。テストした厚さと力は次のとおりです。腫れリチウムの挿入と電極の脱離の収縮、腫れ他のコンポーネントの収縮が組み合わされた結果です。この論文では、一定圧力および一定ギャップ試験モードを使用して、モノマーとモジュールの間の相関関係を研究します。

図 3 セルおよびモジュールユニットの膨潤試験の 3 つのモード。

2.1 モノマーの膨潤厚さとモジュールの相関関係の探索

図4に示すように、単セル間の中間層をシミュレートするために、試験前に白色PETフィルムをセルに貼り付けました。単電池の重ね合わせ試験方法を図5に示します。その場膨潤測定装置（SWE2110）の電源を入れ、200kg定圧モードに設定し、充放電を並行して行い、単電池および積層単電池の膨潤厚さの変化を試験します。図 6 に示すように、現場での測定: 実線はコアの実際の膨張曲線、点線は適合した重ね合わせ曲線 (算術和) です。結果から、単セルと積層セルの両方で充電膨張と放電収縮の現象が見られます。これは主にリチウムの脱離プロセスによって引き起こされる黒鉛と三元材料の構造膨張と収縮によるものです。

図4.PETフィルムを使用した電池の模式図

図5. セル重ね合わせの模式図

図6.各電池セルと重ね合わせ後の膨潤厚さの変化曲線

2.2 モノマーの膨潤力とモジュールの関係の探索

一定ギャップモードを設定し、充電と放電を並行して行い、腫れ図 7 に示すように、その場での充電と放電のプロセスにおける単セルと積層セルの強制変化を測定します。結果から、モジュール内の積層セルの数が増加するにつれて、モジュールの総膨潤力は増加し続けます。増加しますが、モジュールセルの膨潤力の絶対値は、単一セルの膨潤力と倍数の関係はありません。複数の単一セルの膨潤力の合計よりも小さく、セルの積層数が多いほど絶対値の差は大きくなります。これは、一定のギャップを制御するための境界条件である可能性があります。これにより、モジュール内のセルが形成されます。バッテリーセルの状態は、充放電時の単一バッテリーセルの状態とは異なり、電気化学的性能に影響を与えます。そしてその違いの理由をさらに調査する必要があります。グループ化前の単セルの容量とグループ化後の単セルの容量を同時に考慮して比較できます。積層後の圧力が直線的に増加しないのは、積層後のセルの重畳圧力が臨界値に達しているためと考えられます。極片間のスペース、またはさらに微細な寸法を圧縮すると、必ずバッテリーの性能に反映されます。

図 7. の変化曲線腫れ各電池セルの力と重ね合わせ

上記の結果から、モジュールまたはパックはバッテリーパックのケースに固定的に取り付けられており、単セル間のガスケットは全体の力と力に比較的大きな影響を与えると考えられます。腫れモジュールの。優れたバッテリーモジュール設計により、腫れ単一細胞の。CATLが最近発売したキリン電池は、水平・垂直梁、水冷プレート、断熱パッドを1つにまとめ、多機能弾性中間層を一体化し、使用ニーズを統合した。中間層にはマイクロブリッジ接続デバイスが組み込まれており、バッテリーコアの呼吸と柔軟に連携して自由に伸縮し、バッテリーのライフサイクルの信頼性を向上させます。

図 8. カトル におけるキリン電池の多機能弾性中間層

3. まとめ

この論文では、その場膨潤分析装置 (スウェーデン) を使用して、充電および放電プロセス中の同じシステムの単一セルと異なる数のモジュールセルの膨潤厚さと膨潤力を分析します。定圧モードでのモジュールセルの膨らみ厚さの変化傾向は単一セルの算術和でフィッティングできるが、力とは異なる定ギャップモードでは単純な算術フィッティング方法が満たされないことがわかります。 2 つの境界条件の測定モードでの単一セルの。次のステップ 引き続き、さまざまなテスト モードで力モデルを調査し、電極の膨張プロセスをより詳細に分析できます。

参考文献

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