외부 스트레스가 배터리 셀 수명에 미치는 영향

리튬이온 배터리의 충방전 사이클 과정은 복잡한 물리적, 화학적 반응 과정으로 사이클 수명에 영향을 미치는 요인은 많다. 한편으로는 재료 특성, 전극 설계 및 배터리 제조 공정과 같은 배터리 자체의 특성과 관련이 있습니다. 한편, 사용 중 배터리의 외부 영향과도 관련이 있습니다. 이 기사는 주로 배터리 및 몰드 팩 사용에 대한 특정 지침을 제공할 수 있는 외부 압력 변화에서 배터리 사이클 수명에 가장 적합한 조건을 찾는 것입니다.

1. 실험장비 및 시험방법

1.1 실험 장비: ~ 안에 -현장 팽창 분석기, 모델 SWE2110 (IEST ), 다음 그림과 같이.

SWE2110 장비 외관

1.2 테스트 정보 및 프로세스

1.2.1 셀 정보는 표 1과 같다.

표 1. 테스트 셀 정보

1.2.2 충방전 과정

1.2.3 실험 절차

셀 두께 팽윤 테스트: 테스트할 배터리를 SWE2110의 해당 채널에 넣고 놓치다 소프트웨어를 열고 다른 테스트 압력, 샘플링 빈도, 충전 및 방전 프로세스 등을 설정하면 소프트웨어가 셀 두께, 두께 변화를 자동으로 읽습니다. , 테스트 온도, 전류, 전압, 용량 및 기타 데이터.

2. 실험결과 및 분석

~ 안에 -현장 팽창 분석기(SWE2110 )는 정압 모드를 켜고 압력을 5.0kg, 10kg, 25kg, 50kg, 100kg, 200kg으로 설정하고 1시간 동안 압력을 유지한 후 배터리 셀을 충전 및 방전합니다. , 현장에서 전체 프로세스의 두께 변화를 모니터링합니다. 그림 2에서 보는 바와 같이 전체 사이클 동안 리튬의 삽입 및 탈리를 위한 양극 및 음극 물질의 상전이로 인해 전체 배터리 셀은 전하 팽창 및 방전 수축 경향을 나타냅니다. 이는 주로 리튬을 삽입한 후 팽창하고 탈리튬화 후 부피를 회복하는 실리콘-탄소 음극의 상호적이고 가역적인 부피 변화 때문입니다.

압력이 다르면 셀의 두께가 다릅니다. 외부 압력이 증가함에 따라 셀의 최대 두께는 점차 감소합니다. 외부 압력은 활물질과 분리막 사이의 상대 밀도 및 접촉 면적을 증가시켜 계면 저항을 최소화할 뿐만 아니라 충방전 시 균일한 전류 분포를 보장할 수 있으므로 다양한 압력에서 셀 사이클 수명의 감쇠 정도 또한 다릅니다. 동일한 압력에서 셀의 각 사이클의 최대 팽창은 사이클 수에 따라 지속적으로 증가하는데, 이는 충방전 과정에서 셀의 비가역적 팽창이 있음을 나타내며 사이클 수가 계속 증가함에 따라,

그림 3은 압력에 따른 비가역적 팽창 두께의 변화를 보여줍니다. 압력이 증가함에 따라 배터리 충전 및 방전의 비가역적 팽창은 특정 변화를 갖습니다. 즉, 적절한 압력이 비가역적 팽창을 억제하는 데 도움이 됩니다. 압력 전환 과정에서 불가역 팽창은 급격한 변화 지점을 가지며 압력이 증가함에 따라 급격한 변화가 더 뚜렷해지며 이는 배터리가 압력과 함께 안정 상태에 도달하는 데 필요한 시간의 차이와 관련이 있을 수 있습니다. 스위치. 비가역적 팽창두께는 리튬화/탈리튬화 과정에서 영구적인 소성변형 및 크랙이 형성되는 것으로 주로 양극재의 구조적 변화, 활물질의 파편화 및 용해,

이 실험은 실리콘-탄소 양극을 사용하고 충방전 전류가 0.5C에 불과하기 때문에 이 실험에서 비가역 팽창은 주로 양극 물질의 균열과 SEI 필름의 재결합에 의해 발생합니다. 사이클링이 진행됨에 따라 이러한 부반응과 감쇠가 누적되어 셀 두께가 비가역적으로 증가합니다.

그림 2. 압력 주기에 따른 셀의 두께 변화 곡선

그림 3. 세포의 비가역적인 두께 변화 곡선

적절한 외부 스트레스는 계면 접촉을 증가시키고, 사이클링 동안 활성 리튬의 손실을 줄이고, 배터리 용량의 페이딩을 늦출 수 있습니다.  ;  ;동시에 리튬 이온 배터리의 양극 및 음극과 분리막은 모두 다공성 구조입니다. 압력이 증가함에 따라 전극 및 분리막의 다공성 및 비틀림과 같은 매개변수가 그에 따라 변경되어 리 +의 확산에 영향을 미쳐 용량 감소를 초래합니다[1]. 압력은 전극의 전기 접촉 저항, 다공성 및 유효 표면적과 분리막의 형태에 영향을 미칩니다. 따라서 셀의 외부 압축은 사이클 수명을 포함하여 전기화학적 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

각 압력 지점에서 서로 다른 사이클 수에서 셀의 방전 용량을 추출하고 선형 피팅을 수행하면 그림 4에 결과가 표시됩니다. 압력이 증가함에 따라 셀 용량의 선형 피팅 곡선의 기울기가 먼저 증가합니다. 즉, 방전 용량 감쇠율은 먼저 감소한 다음 증가하는 경향을 나타냅니다.  ;  ;배터리에 대한 기계적 스트레스의 영향은 여러 번 연구되었으며 분명히 배터리 성능에 상당한 영향을 미쳤습니다. 전지에 약간의 압력을 가하면 돌이킬 수 없는 팽창을 줄이고 흑연 및 실리콘 기반 양극의 전지 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 셀에 너무 높은 스트레스를 가하면 용량 유지에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

연구에 따르면 측정된 초기 배터리 두께는 이론 두께보다 약 5~15% 더 두껍고 이러한 차이는 주로 전해질 충전으로 인한 바인더와 분리막의 팽창, 가스 형성 및 전극 계면의 공극에 기인합니다. . 외부 압력은 전극의 계면 공극을 줄이고 접촉 면적을 증가시킬 수 있습니다.  ;  ;따라서 작은 압력으로 배터리가 압축되고 두께가 줄어들어 접촉 저항이 감소하고 배터리 사이클 성능이 향상됩니다. 압력이 계속 증가하면 전극과 분리막의 다공성과 비틀림이 변하고 리 + 확산에 영향을 미쳐 용량 감소가 빨라집니다. 셀의 용량 감쇠는 50kg~100kg의 외부 응력에서 가장 작습니다. 즉, 이 압력이 셀에 대한 최상의 외부 압력입니다.

그림 4. 배터리 셀의 압력 용량별 감쇠 곡선

3. 실험장비 및 시험방법

본 논문에서는 IEST의 현장 팽창 분석기(SWE )를 사용하여 LCO /식 시스템 셀의 최적 주기 외부 스트레스 조건을 탐색했습니다.  ;  ;셀이 50kg~100kg의 외부 응력 하에서 긴 사이클을 받을 때 용량 감쇠 및 불가역적 사이클 확장이 가장 적으며, 이는 관련 기술 인력에게 실리콘 기반 시스템 셀의 사이클을 개선할 수 있는 아이디어를 제공하고, 실리콘 기반 시스템의 실제 적용을 더욱 향상시킵니다.

4. 참고 자료

[1] 처럼 무사，M. 클렛,G. 린드버그 및 RW 린드스트롬 , 단층 리튬 이온 파우치 셀의 성능 및 노화에 대한 외부 압력의 영향. 차. 전원 385(2018) 18-26.  ;

[2] 디제이 리 , DL 다닐로프 , J. 시에 , L. Raijmaker , L. 가오 , Y. 양 및 PHL 노텐 , C6/LiFePO4 배터리의 열화 메커니즘: 캘린더 노화의 실험적 분석. 전기 화학. 악타 190 (2016) 1124-1133.  ;