电池存储产气测试So easy!电池存储产气测试So easy!电池存储产气测试So easy!

前 言

产气是电池在制程以及使用过程中不可避免的现象,如化成产气、循环产气、过充过放产气、存储产气等,在不同的工况条件下对产气量以及产气成分的要求也不同,其中,存储产气测试是为了模拟电芯在搁置存放阶段的性能稳定性,能够帮助研发人员更好的优化材料和电芯设计。

另外,随着高容量硅基负极材料的快速发展,硅基表面改性和元素掺杂等技术虽然能显著提升能量密度,但若表面碱性残留和包覆不完整,会使其在匀浆过程中与溶剂反应产生气体,影响极片涂敷质量,因此,硅基负极材料也需要评估其在溶剂中的产气性能。

传统测试存储产气的方法通常采用烘箱存储一定时间后,人工取出电芯到自制天平装置上进行单点体积测量,操作示意图如图1所示,这种非原位方法改变了电芯的实时环境和状态,会造成以下几个问题:

1.需要多台设备组合完成实验:如烘箱、电压表、天平、满充存储补电设备等;

2.电芯在转移过程中有温度变化,影响产气体积;

3.电芯体积测量需要人工手动记录和整理,存在数据抄写错误风险;

电池存储产气测试So easy!

图1.非原位存储产气测试流程图

元能科技推出一款原位多通道存储产气测试系统,如图2所示,可实现在同一台设备中进行多温度存储、电压测试、体积测试数据自动记录的功能,与传统方法的功能对比如表1所。原位集成方法让存储产气测试So easy!
电池存储产气测试So easy!

电池存储产气测试So easy!

图2.原位多通道存储产气示意图

 

电池存储产气测试So easy!

表1.传统方法与MSG2000功能对比表

 

1. 产气体积测量原理

结合牛顿定理(公式1)和阿基米德浮力定律(公式2),通过专用传感器实时测得待测样品在硅油里的拉力,进一步换算得到电芯体积(公式3)。

电池存储产气测试So easy!

其中重力加速度g为9.8m/s2,ρ硅油为0.971g/ml(25℃)。

 

2. 实验设备与测试方法

 

实验设备: 型号MSG2000(IEST元能科技),测试温度范围:室温~100℃,油浴锅数量可选配,设备外观如图3所示。

电池存储产气测试So easy!

图3.MSG2000设备外观图

 

3. 存储产气测试案例

 

3.1 三元电芯存储产气测试

为了进一步提升高镍三元材料的电化学性能和存储稳定性,通常要对其进行不同方式的改性,如掺杂或包覆。如图4是一组三元电芯的3个平行样在70℃条件下存储72天的体积和电压变化趋势,经过高温存储,电芯的体积增加13%左右,电压从4.35V降至4.1V,说明NCM三元材料在高温下存在结构不稳定,与电解液发生副反应产气气体,后续可不断优化三元材料的高温结构稳定性。

电池存储产气测试So easy!

图4.三元电芯存储过程体积和电压变化曲线

3.2 极片产气测试

电池在存储和使用过程中易产气,区分正极侧产气和负极侧产气,对于探究产气原因以及改善产气行为都有重大意义。如图5为两个满充的平行样电芯,一个电芯拆解出正负极极片后,分别加入足量的电解液封装,并测试其在65℃存储时的产气行为,另一个电芯直接测试存储产气行为,结果发现负极侧产气量要明显高于正极侧产气量。

电池存储产气测试So easy!

图5.LFP/Gr体系100%SOC时极片及电芯产气

3.3 硅基浆料产气测试

硅基材料比容量高,但体积膨胀量大,首次效率,业界通常采用表面改性、元素掺杂、预锂化等改性手段降低其体积膨胀提升首次效率,然而这些改性过程中会伴随着不稳定因素,例如表面碱性和包覆不完整会导致纳米硅暴露出来,并在制浆过程中与氢氧根离子反应产气,造成涂布过程加工问题。如图6:三种不同改性工艺的硅基材料,用同一配方制作成浆料并测试其随时间的产气变化情况,发现A方案产气量最少,说明改性方案A要优于其它两种改性方案。

电池存储产气测试So easy!

图6.不同改性工艺硅基浆料产气

4. 总结

 

本文使用元能科技的多通道存储产气(MSG2000)测试了硅基浆料产气、极片产气以及电芯产气,实现从材料层级到极片层级再到电芯层级的全方位的产气表征,可助力材料及电芯研发。

原文始发于微信公众号(元能科技):电池存储产气测试So easy!

作者 808, ab