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三元電芯原位膨脹分析-不同溫度條件

溫度會影響鋰離子電池的功率性能,過高的溫度會加劇副反應的發生,而過低的溫度又會導致負極析鋰,影響電池安全性能。隨著鋰離子電池在全球各行各業的普及,對鋰離子電池的可耐溫度范圍也提出了較高的要求,需要其可適應不同地域的環境溫度。本文采用原位膨脹分析儀(SWE),對NCM523/石墨電芯(3446106,理論容量2400mAh)進行不同溫度條件下(0℃,25℃,45℃,60℃)充放電過程的厚度變化測試,對比分析電芯膨脹行為。

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測試信息

1.測試設備:原位膨脹分析儀,型號SWE2100(IEST元能科技),可施加壓力范圍50~10000N,可調控溫度-20℃~80℃。

2.測試參數:

2.1 充放電流程:rest 5min; 0.3CCC to 4.35V, CV to 0.025C; rest 5min; 0.3C DC to 2.8V。

2.2 電芯厚度膨脹測試:將待測電芯放入設備對應通道,開啟MISS軟件,設置各通道對應電芯編號,采樣頻率1s,測試施加壓力100N等參數,軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等數據。

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結果分析

1.充放電過程電芯膨脹曲線

電芯在4種溫度條件下進行0.3C充放電測試,膨脹曲線如圖1所示。從室溫25℃升高至45℃和60℃時,滿充對應的電芯膨脹厚度稍微增加,這可能是由于熱效應或溫度的升高增加了副反應的量而導致的厚度膨脹。從室溫降至0℃時,滿充對應的電芯厚度有較大的增加,這很可能是由于低溫條件導致充電過程嚴重析鋰,從而引起厚度增加且放電容量偏低。

圖1.電芯在4種溫度條件下充放電曲線和膨脹曲線

2. 微分容量曲線分析

對比電芯在4種溫度條件下的微分容量曲線,如圖2。隨著溫度從室溫25℃升高至45℃和60℃時,電芯充電過程的主要脫鋰峰位向高電壓稍微偏移,說明溫度的升高會使電池極化增大,從而增大鋰離子從三元材料結構中脫出的阻力。而溫度降低至0℃時,充放電的脫嵌鋰峰位已嚴重偏離室溫時的電位,說明低溫同樣也增加了電池的極化,影響電池的功率性能。

圖2.電芯在4種溫度條件下的微分容量曲線

3. 充放電過程不可逆膨脹分析

       電芯在4種溫度條件下的膨脹與SOC曲線,如圖3。充電和放電對應的膨脹曲線的間距代表了不可逆膨脹,4種溫度條件下(0℃,25℃,45℃,60℃)電芯在滿放時的不可逆膨脹分別為0.97%、0.01%、0.03%、0.24%。隨著溫度從室溫25℃升高至45℃和60℃,不可逆膨脹逐漸增加,而溫度從室溫降低至0℃時,電芯的不可逆膨脹也增加,但在高溫和低溫兩種條件下導致不可逆膨脹的原因可能不同,后續會進一步研究。

圖3. 4種恒定壓力下不同SOC的膨脹曲線

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總結

      

霍州抢庄牛牛下载       本文采用原位膨脹分析儀(SWE)對NCM523電芯在不同溫度條件下充放電過程中的厚度膨脹進行分析。溫度從室溫25℃升高至45℃和60℃,以及從室溫25℃降至0℃時,電芯的不可逆膨脹均增加,但在高溫和低溫兩種條件下導致不可逆膨脹的原因可能不同,后續會進一步研究溫度的影響。

參考資料


1.XiaoDu, Qi Wu, Ya-Na Wang, Tai-Song Pan, Yi-Min Wei, Hao-Sen Chen, Wei-Li Song,Dai-Ning Fang. Visualizing two-dimensional internal temperature distribution incylindrical Li-ion cells. Journal ofPower Sources, 446 (2020) 227343.

2.Sun Ho Park, Joonam Park, Myung-Hyun Ryou,Yong Min Lee. Sensitivity of power of lithium-ion batteries to temperature: Acase study using cylindrical- and pouch-type cells. 霍州抢庄牛牛下载Journal of Power Sources, 465 (2020) 228238.


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