元能科技(廈門)有限公司
已認(rèn)證
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鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于生活的方方面面,比如手機(jī)、汽車或者家用儲(chǔ)能等,因此對(duì)鋰離子電池的各類性能評(píng)估也顯得尤為重要。我們知道鋰電池在充放電過程中會(huì)發(fā)生膨脹或收縮,因此在設(shè)計(jì)鋰電池模組時(shí),膨脹參數(shù)是必須要考慮的重要參數(shù)之一。此外,隨著高比容量的新一代負(fù)極的出現(xiàn)(例如硅基負(fù)極或者鋰金屬負(fù)極),其結(jié)構(gòu)膨脹比常規(guī)的石墨負(fù)極要明顯得多[1,2],因此越來越多的企業(yè)將注意力聚焦到了對(duì)鋰電池的膨脹性能評(píng)估上。
通常,研究者們必須要將極片制備成單層或多層的成品電芯才能進(jìn)行膨脹評(píng)估,該方法測(cè)試周期長,評(píng)估效率低,占用資源多,嚴(yán)重影響新材料的開發(fā)進(jìn)程。元能科技近期創(chuàng)新性地利用模型扣電對(duì)電池極片的膨脹行為進(jìn)行評(píng)估,大大縮短了材料膨脹性能的評(píng)估周期,并能夠?yàn)楦咝;蚱髽I(yè)節(jié)省大量制備電芯的人力與物力。對(duì)于這款模型扣電,用戶最關(guān)心的便是它的循環(huán)效率與傳統(tǒng)鋼殼扣電是否具有可比性,以及模型扣電測(cè)出來的膨脹厚度變化與成品電芯的可比性。為此,這篇文章基于這兩個(gè)方面給出了相應(yīng)的比對(duì)數(shù)據(jù),便于用戶進(jìn)行評(píng)估與選擇。
1.測(cè)試條件
1.1 測(cè)試設(shè)備:本文采用元能科技的模型扣式電池,并配合硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)(RSS1400, IEST元能科技)進(jìn)行扣電與軟包電池的充放電測(cè)試與膨脹測(cè)試。
圖1.硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)(RSS1400)
1.2 充放電測(cè)試條件:
①使用元能科技的模型扣電組裝NCM//Li的扣式半電池與NCM//SiC的扣式全電池,并以01C的倍率進(jìn)行3圈的循環(huán)充放電,方便后續(xù)和商用鋼殼扣電以及單層軟包疊片電池進(jìn)行性能對(duì)比;
②使用商用2032鋼殼扣電組裝NCM//Li的扣式半電池,并以01C的倍率進(jìn)行3圈的循環(huán)充放電;
③組裝NCM//SiC的單層軟包疊片電池,并以01C的倍率進(jìn)行3圈的循環(huán)充放電。
1.3 電芯膨脹測(cè)試條件:將NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池放置于硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)(RSS1400, IEST)中,施加5kg的初始預(yù)緊力后,在01C充放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控二者的膨脹厚度變化。
2.結(jié)果分析
2.1 元能科技模型扣電與商用2032鋼殼扣電的充放電效率對(duì)比
圖2左圖為元能科技的模型扣電,右圖為商用2032鋼殼扣電。我們使用相同尺寸與成分的三元正極組裝成對(duì)鋰片的扣式半電池,并對(duì)比二者在01C充放電倍率下的庫倫效率,結(jié)果如表1所示。從中可以看出,模型扣電的首效約為89.13%,僅比商用鋼殼扣電低了約0.718%,而第二圈和第三圈的循環(huán)效率最大也僅比商用鋼殼扣電低了約1.28%。此外,模型扣電與鋼殼扣電三圈的循環(huán)效率COV最大僅為0.65% (其中COV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值*100,一般情況下,若COV<5%,則表明二者的重復(fù)性與再現(xiàn)性較為良好),因此可以認(rèn)為元能科技的模型扣電與商用鋼殼扣電具有相近的循環(huán)充放電性能!
圖2.左圖為元能科技的模型扣電;右圖為商用2032鋼殼扣電。
表1.NCM//Li的模型扣式半電池與商用鋼殼扣電的循環(huán)效率對(duì)比
2.2 元能科技模型扣電與軟包電池的膨脹厚度對(duì)比
圖3左圖為元能科技的模型扣電,右圖為單層軟包疊片電池。二者使用相同成分的三元正極與硅碳負(fù)極組裝成全電池,并在01C充放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控二者的膨脹厚度變化,其中二者的電壓曲線與厚度膨脹曲線如圖4所示,具體的全電池循環(huán)效率以及膨脹厚度對(duì)比分別如表2和表3所示。從圖4中可以看出,無論是充放電過程中的電壓曲線,還是厚度膨脹曲線,模型扣電與軟包疊片電池均表現(xiàn)出良好的一致性,其中從表2中可以看出,模型扣電與軟包疊片電池的首效分別為41.82%和42.42%,而后兩圈的循環(huán)效率最大僅差0.12%;而從表3中可以看出,二者3圈的厚度膨脹率COV也都在3.5%以內(nèi),表明二者的厚度膨脹率也具有良好的一致性。
圖3.左圖為元能科技的模型扣電;右圖為單層軟包疊片電池。
圖4. 藍(lán)色虛、實(shí)線分別為模型扣電的電壓曲線與厚度膨脹曲線;
橙色虛、實(shí)線分別為單層軟包疊片電池的電壓曲線與厚度膨脹曲線
表2.NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池的循環(huán)效率對(duì)比
表3.NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池的膨脹厚度對(duì)比
3.總結(jié)
本文對(duì)元能科技(廈門)有限公司的模型扣電進(jìn)行了充放電性能評(píng)估與膨脹厚度評(píng)估,從結(jié)果中可以看到,模型扣電的循環(huán)充放電效率與商用2032鋼殼扣電基本一致,而3圈循環(huán)過程中的厚度膨脹率也與單層軟包疊片電池的測(cè)試結(jié)果基本一致,表明元能科技的模型扣電具有良好的循環(huán)充放電效率與膨脹評(píng)估效果。本文推薦使用硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)(RSS1400, IEST)配合該款模型扣電使用,其厚度膨脹測(cè)試精度為0.1μm,分辨率可達(dá)0.01μm,對(duì)脫嵌鋰相變引起的細(xì)微厚度變化具有良好的檢測(cè)與分辨能力,助力新型低膨脹、高容量負(fù)極材料的開發(fā)!
4.參考資料
[1] J. Lin, L. Wang, Q.S. Xie, Q. Luo, D.L. Peng, C. B. Mullins and A. Heller, Stainless Steel-Like Passivation Inspires Persistent Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries. Angew. Chem. 135 (2023) e202216557.
[2] M. Ashuri, Q.R. He and L.L. Shaw, Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries: where size, geometry and structure matter. Nanoscale 8 (2016) 74–103.
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