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作者信息及文章摘要
中國(guó)科技大學(xué)的談鵬課題組(第一作者 Zhiyuan Zhang)通過(guò)探究外部壓力對(duì)硅負(fù)極鋰電池的極化以及循環(huán)性能的影響,發(fā)現(xiàn)合適的外部壓力可以減小電芯循環(huán)過(guò)程的極化,而且在電池循環(huán)過(guò)程中施加階梯式的外部壓力,可以顯著提升循環(huán)壽命。該研究結(jié)果可作為以硅基負(fù)極為主的鋰離子電池容量提升的一種有效策略,指導(dǎo)電池包的工藝設(shè)計(jì)。
試驗(yàn)方案
1.電芯設(shè)計(jì)體系和充放電條件:如下表所示。
2.高精度原位膨脹表征設(shè)備:采用元能科技的IEST-SWE2100原位膨脹設(shè)備,對(duì)電芯施加精準(zhǔn)外部壓力和檢測(cè)厚度膨脹。
圖文賞析
作者通過(guò)改變施加在電芯表面的外部壓力,探究對(duì)充放電過(guò)程的極化影響,發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大,微分容量曲線的峰位先左移后右移,其中0.02MPa對(duì)應(yīng)的電芯極化最小,說(shuō)明該壓力是最適合的測(cè)試條件。
繼續(xù)探究施加0.02MPa外部壓力下的電芯循環(huán)壽命。隨著循環(huán)的進(jìn)行,電芯的膨脹厚度趨勢(shì)有三個(gè)階段:快速增長(zhǎng),緩慢增長(zhǎng),快速增長(zhǎng)。這種現(xiàn)象與容量衰減趨勢(shì)是對(duì)應(yīng)的。
結(jié)合CT和SEM分析電芯老化前后的厚度差異,發(fā)現(xiàn)電芯不同位置由于束縛力的不同,厚度膨脹也會(huì)有差異,電芯老化后,出現(xiàn)電解液干涸、顆粒之間接觸變差、副反應(yīng)增多等現(xiàn)象,這些都會(huì)造成電芯的極化增大以及容量損失。
作者基于以上分析,開(kāi)發(fā)了一種提升電芯循環(huán)壽命的方式,在電芯循環(huán)過(guò)程中,不斷提升外部施加壓力,可以使電芯容量有一定程度回彈。隨著循環(huán)的進(jìn)行,電解液分解產(chǎn)氣嚴(yán)重、顆粒膨脹間隙增大、副反應(yīng)增多,通過(guò)加載越來(lái)越大的壓力可以減緩容量損失,相比施加固定的0.02MPa壓力,階梯加力的方式使電芯的容量保持率從原來(lái)的80%提升至85%。
總結(jié)
通過(guò)探究外部壓力對(duì)硅負(fù)極鋰電池的極化以及循環(huán)性能的影響,發(fā)現(xiàn)合適的外部壓力可以減小電芯循環(huán)過(guò)程的極化,而且在電池循環(huán)過(guò)程中施加階梯式的外部壓力,可以顯著提升循環(huán)壽命。該研究結(jié)果可作為以硅基負(fù)極為主的鋰離子電池容量提升的一種有效策略,指導(dǎo)電池包的工藝設(shè)計(jì)。
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SWE系列原位膨脹分析系統(tǒng)(IEST元能科技):利用高度穩(wěn)定且可靠的自動(dòng)化平臺(tái),搭載高精測(cè)厚傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯整個(gè)充放電過(guò)程的厚度變化量和變化速率的測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)如下功能:
1.恒壓力條件測(cè)試電池膨脹厚度曲線;
2.恒間隙條件下測(cè)試電池膨脹力曲線;
3.電池壓縮性能測(cè)試:應(yīng)力應(yīng)變曲線-壓縮模量;
4.電池膨脹力分步測(cè)試;
5.不同溫度控制:-20~80℃。
文獻(xiàn)原文
Zhiyuan Zhang, Xueyan Li, Lili Gong,Yang Li, Jiaqian Qin, and Peng Tan.Performance of Lithium-Ion Pouch Cells with Silicon Composite Anodes under External Mechanical Pressure. Energy Fuels 2023, 37, 9713?9721.
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