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研究人员探讨外部支撑条件对大尺寸方形锂离子电池老化现象的影响

汽车 盖世汽车网    2021-12-20 16:58

盖世汽车讯 据外媒报道,一项最新研究针对循环次数超过7000次的车用锂电池,探讨支持电芯的外部压力对老化现象的有利影响。研究人员在循环过程后,利用事后分析方法检测老化电芯。

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(图片来源:AZOM)

锂离子电池的重要性和局限性

锂离子电池广泛应用于便携式设备、电动汽车和长期储能,具有优异的功率集中度和长时间的循环稳定性。然而,这类电池也存在一定的局限性,如成本较高、再利用受限、材料短缺,尤其是钴和锂,以及安全问题。从经济和环境方面考虑,电池电芯的寿命较长,对于社会可接受性,以及减少生态影响和费用,具有重要意义。

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这项研究中进行实验的主控图(图片来源:AZOM)

方型电芯类型的优点和局限性

软包电芯、圆形或圆柱形电芯,以及方形电芯,是三种最常见的电芯类型。方形电芯的优点是封装紧凑、模块设计简单、模块功率密度高。然而,受多种因素影响,如电芯内压力降低或机械稳定性,这种电芯确实比圆管老化得更快。

在循环过程中,由于正、负极的暂时和永久性膨胀和收缩,低减压(low decompression)可能导致电化学堆内部元素之间结合不充分。目前的研究分两步进行。第一部分提供了老化实验的电生理结果,在这些实验中,电池在不同的支撑条件下运行7000次以上。第二部分利用各种事后分析技术,对电芯退化现象进行了研究。

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电芯打开后电极和隔板的图片

最新研究结果

在研究过程中,最初所有电芯表现出类似的老化程度,在前700次循环中容量损耗明显。从大约3000次循环开始,无支撑电芯的容量损耗,超过了有支撑电芯。而在达到80%的电池系统健康状态(SOH)临界值时,无支撑的电芯为3800次循环,有支撑的电芯为4700次循环。

在无支撑电池经过7420次循环和有支撑电池经过7170次循环后,将电芯循环中断五周,以观察电芯的松弛行为(relaxation behavior)。结果,无支撑的电芯没有表现出恢复潜力。将暂停前的最后5次循环与暂停后的最初5次循环进行对比,有支撑电芯恢复了12%的放电率。

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不同老化正极的 SEM 横截面

事后分析检测

对这三种电芯进行事后分析检测。第一种电芯(电芯1)是未经过循环的基准电芯,第二种电芯是有支撑电芯(电芯2),第3种电芯是无支撑电芯(电芯3)。

电芯1(参考电芯)未表现出明显退化,例如沉积、剥离或裂缝。电极表面看起来很均匀。电芯2(有支撑老化电芯)仅出现轻微的退化。除了靠近实际采集的几个位置外,电极似乎具有均匀性。电芯3的电极和隔板(老电芯、无支撑)表现出明显的退化。电芯1的负极表面形态表现为,石墨表面有一层均匀的Al2O3颗粒涂层。

然而,电芯2(有支撑)出现额外沉积点,可能代表电解质分解产物。电芯3(无支撑)的负极表面有许多涂层,可归因于所覆盖的锂。只有在电芯3这种无支撑的老电芯中,才能观察到覆盖层退化。在这些地方与石墨颗粒发生直接相互作用,导致锂电镀。

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参考和老化电芯中锂和(a) 和过渡金属含量(b)

机械SOH设计更关注材料和电池组件的机械性能,及其对容量损失的影响。老化电芯负极的机械SOH略低于参考电芯,裂缝略有增长。总的来说,可以利用机械SOH来检测电极材料的退化状态。

综上所述,本项研究评估了支撑物对方形锂离子电池老化现象的影响。在整个老化测试中,有外部支撑的方形电芯表现出更好的循环性能,比无支撑电芯达到80%的SOH临界值要晚900个循环。这一发现强调了锂离子电池外部支撑的必要性,特别是均匀的压力分布。

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责任编辑: 4161HSS

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