LFP 시스템 셀의 가스 생성 거동 분석

인산철리튬(LFP ) 셀은 일반적으로 올리빈 구조의 LiFePO4를 기반으로 합니다.₄양극으로 알루미늄 호일에 코팅된 재료, 음극으로 구리 호일에 코팅된 흑연 재료는 우수한 안전성으로 인해 새로운 에너지 구동 차량 및 에너지 저장 발전소에 가장 일반적으로 선택되는 셀 시스템이 되었습니다. L FP 셀이 충전되면 리 ⁺LiFePO로 마이그레이션₄입자 표면에서 전극 반응은 전해질로 들어가 격막을 가로질러 흑연 음극 입자의 표면에 도달하고 흑연 격자에 매립되어 LiC를 형성합니다._엑스삽입된 화합물과 동시에 전자 코팅은 양극 알루미늄 호일 유체로 흐르고 외부 회로는 흑연 음극으로 흘러 음극이 전하 균형 상태가 되도록 합니다.

저것⁺언베딩 후 양극 재료는 LiFePO ₄리 번역_1-x금 포 ₄. 방전은 정반대, 셀 내부의 리 ⁺음극 흑연 격자에서 제거되어 전해질과 격막을 통해 양극으로 흐르고 LiFePO ₄격자의 해당 위치에서 외부 회로 전자는 음극 구리 호일에서 양극 알루미늄 호일로 LiFePO ₄전하 균형에 도달하기 위한 양극. 그림 1은 L FP 전체 전지의 작동 원리에 대한 개략도를 보여줍니다.

그림 1 LFP 완전 전기 전지의 작동 원리 개략도^【1】

실제 응용에서 과충전 및 과방전은 모두 셀에 다른 층 손상을 일으키고 셀의 수명에 영향을 미칩니다. 리튬 전지 성능 저하 및 심지어 화재 및 폭발을 유발합니다. 본 논문에서는 과충전 및 과방 전 과정에서 리튬 철 인산염 전지의 가스 생산 변화를 실시간으로 모니터링하고 분석하기 위해 G VM 시리즈 현장 체적 모니터링 장비를 선택했습니다. 셀의 과충전 및 과방전 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있도록 가스 크로마토그래프와 결합된 과충전 및 과방전 조건 하의 가스 생산 유형.

실험장비 및 시험방법

1. ~ 안에 -현장 용량 모니터링 실험 장비: 모델 GVM2200 (IEST ), 시험 온도 범위 20℃~85℃, 이중 채널(2셀) 동기 시험 지원, 장비 외관은 그림 2와 같다.

그림 2. GVM2200 장비의 외관도

2. 셀 과충전 및 방전 매개변수: 셀이 2.5V로 채워진 후 2시간 동안 유지, 셀 a: 5V로 0.5C(1.5A) CCCV 과충전, 전류 0.2mA 정지, 유지; 셀 b: 0.5C(1.5A) DC 0V로 과전압 유지;

3. 테스트 방법: 초기에 셀 무게, m₀테스트 할 셀을 장치의 해당 채널에 넣고 MISG 소프트웨어를 열고 각 채널의 해당 셀 번호 및 샘플링 주파수 매개 변수를 설정하면 소프트웨어가 자동으로 볼륨 변경, 테스트 온도, 전류, 전압, 용량을 읽습니다. 다른 데이터.

가스 조성 시험은 GC -2014C 가스크로마토그래피를 이용하여 글러브박스에서 1mL의 가스를 제거하고 TCD와 버팀대 검출기로 각각 다른 농도의 가스를 시험한다. 측정 가능한 가스 유형은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3. 버팀대 및 TCD 감지기의 티블 가스 구성

과충전 및 과방전 가스 발생 결과 분석

1. 과충전, 과충전 및 방전, 체적 변화 곡선 분석

도 1에 도시된 바와 같이. 4, 충전 셀의 정상 충전 단계에서 양극으로부터의 리튬 이온의 부피 및 전압 변화 곡선, 전압이 증가함에 따라 전압이 증가하고 셀 부피가 증가하며 흑연 공정은 10%에 도달할 수 있습니다.^[2]。 흑연 음극은 전형적인 단계적 중간층 리튬 임베딩 공정입니다. 리튬 이온이 내장된 후 레이어는 평면을 유지합니다. 흑연층과 매립층이 평행하게 배열되어 매 3층, 2층, 1층이 규칙적으로 매립되어 3, 2, 1 등 서로 다른 위상의 리 -C 층간 화합물(LiCx )을 형성한다. 초기 단계는 단계이다. 4, 리튬 이온의 각 3개 층의 상태를 3단계라고 하며 Li에 해당한다._0.3씨₆상대 리튬 농도가 33.33%인 화합물. 리튬 임베딩의 각 두 층은 Li에 해당하는 2단계입니다._0.5씨₆, 상대 농도는 50%였다. 흑연이 리튬으로 완전히 매립된 후, LiC가 형성된다.₆6개의 육각형 탄소 원자마다 중간에 리튬 이온이 내장된 화합물은 100% 상대 리튬 내장 농도입니다.^[2].  ;

도 5에 도시된 바와 같이 리튬 이온 전지의 정상 충전 단계에서 음극 상태의 변화를 나타낸다. 위의 리튬 내장 스테이지는 완전히 이상적인 상태입니다. 흑연 내부의 실제 리튬 내장 상태는 더 복잡하며 종종 여러 단계가 혼합되어 있습니다. 해당 셀 충전 단계의 부피 변화는 주로 음극 리튬 내장으로 인한 구조적 위상 변화와 관련이 있습니다.^[5], 충전 초기에는 리튬 함유량이 증가함에 따라 흑연 격자의 부피가 팽창하여 1단의 기울기가 더 큰 팽창 곡선을 형성하며 흑연의 격자 크기는 x=0.2와 0.6 사이에서 가장 적게 변화하며, 확장은 플랫폼 곡선으로 나타납니다. LiC ₆위상의 층 간격은 Li의 층 간격보다 상당히 큽니다._0.5씨₆서로.동일한 LiC ₆해당 두께 변화의 증가에 대한 최대 기울기는 상이 있을 때 발생합니다.

그림 4. 과충전 셀의 정상 충전 단계에서의 부피 변화

그림 5. 리튬 이온 셀의 정상 충전 단계에서 흑연 음극 상태 변화^[2]그리고 흑연 체적 팽창 곡선^[5]

전체 L FP 셀이 계속 충전되는 경우 볼륨 변화에서 그림 6(A)에 표시된 전압 및 볼륨 변화 곡선을 얻습니다. 생성 가스, 해당 전압은 5V, 연속 전압은 5V, 체적 변화는 여전히 증가 추세에 있으며 셀은 명백한 팽창 현상을 볼 수 있습니다.

6(B)와 같은 전압 및 부피 변화 곡선의 셀 프로세스, 초기 볼륨 변화는 명백한 변화가 없고 0.4V 볼륨 변화는 명백한 변곡점을 가지며 셀 가스의 예비 판단은 셀을 낮은 상태로 계속 유지합니다. 전압 조건, 볼륨 변화는 지속적인 성장 추세를 가지며 동시에 약간의 팽창 현상도 있습니다.

그림 6. LFP 셀의 과충전 및 과방전량 변화

2. 과충전 및 과방전 가스 생성 조성 분석

과충전 및 과방전 후 가스 생산 세포에서 1mL의 가스를 제거하고 가스 크로마토그래피로 정성 분석하였다. 그림 7,8 및 표 1에서 볼 수 있듯이 과충전 및 LFP 시스템 셀의 가스 생성 구성 요소인 H₂모두 비율이 높은데, 이는 음극에 수분을 흡수하여 생성된 가스 때문일 가능성이 있는 것으로 분석 결과^[4], 진공 상태에서 물이 약 350K에서 탈착되기 시작할 때 탈착의 활성화 에너지는 1.3e V이며 생성되는 주요 가스는 H₂이것은 또한 리튬 이온 셀의 실제 생산 공정이며 H를 엄격하게 제어해야 합니다.₂O 불순물의 원인 중 하나; 게다가, 고전압은 H를 생성할 수 있습니다₂. 기상 조성 검출 결과로부터 H를 제외한 과충전 및 과방전 가스 셀에 대한₂또한, 과충전 코어와 CO , CO ₂,씨₂시간₆、채널 _4.C에 도달₂시간_2,가스, 이는 주로 셀 재료와 전해질의 부반응에 의해 발생하며, 동일한 가스 유형 외에도 과충전된 가스 셀에서 높은 함량의 CO 및 CO도 검출됨₂, 가스, 이는 이전에 보고된 L FP 셀의 과충전된 가스 생성 조성과도 일치합니다.

그림 7. LFP 셀의 과충전 및 과방전 가스 생성 구성 요소의 GC 테스트 결과

표 1. LFP 셀의 과충전 및 과생산 성분 비교표

그림 8. LFP 셀의 과충전 및 과방전 가스 생성 비교

요약

이 백서는 가스 크로마토그래피, L FP 셀 가스 거동 및 가스 조성 정성 정량 분석과 결합된 제어된 온도 이중 채널 현장 가스 부피 모니터링 장비를 채택하여 가스 변화 및 가스 구성 프로세스를 정의하고 효과적인 수단으로 사용할 수 있습니다. 리튬 이온 셀 가스 거동 분석.

참조 문서

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[2] 레이니어 Y, 야자미 R, 풀츠 B, 등등 알 . 진화 ~의 리튬화 열역학 ~와 함께 그만큼 흑연화 ~의 탄소 [J]. 신문 ~의 힘 출처 , 2007, 165(2):552-558.

[3] 양 L, 첸 HS , 노래 WL , 등 알 .효과 ~의 결함 ~에 확산 행동 ~의 리튬 -이온 배터리 전극 : ~ 안에 시투 광학 관찰 그리고 시뮬레이션 [J].ACS 적용된 재료 &앰프 ; 인터페이스 , 2018, 10(50) .

[4] 가지우라 H, 난디알라 A, 베즈랴딘 A. 처럼 -제작 그리고 어닐링 다중벽 탄소 나노튜브 [J]. 탄소 , 2005, 43(6):1317-1319에서의 유사 탄도 전자 수송.

[5] H.남자 이름 , F.이아코비엘로 , TMM히난 , A.르웰린 , JS위빙 , R.저비스 , DJLBrett 및 PR셔링 .A 팽창계 공부하다 ~의 석묵 전극 ~ 동안 사이클링 ~와 함께 X-레이 계산됨 단층 촬영 [J] 신문 ~의 그만큼   ;전기화학학회, 2021,168: 010507..  ;