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硅膠泡棉_對充電鋰電池控制模塊膨脹力的影響
發(fā)布時(shí)間：2022-03-21 點(diǎn)擊次數(shù)：973
鋰離子電池在使用過程中存在膨脹問題，一方面是化成過程形成SEI膜，產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)部的氣壓增加，并且隨著循環(huán)的進(jìn)行，SEI膜厚度增大，從而促使殼體變形；另一方面是在充放電時(shí)，Li+脫出與嵌入層狀材料引起負(fù)極極片厚度方向上的變化，正極極片的晶格常數(shù)引起的變化小，影響不大。
電池膨脹力不是短時(shí)間凸顯的，而是隨著充放電次數(shù)的增加逐漸顯現(xiàn)，有研究表明，Li+的擴(kuò)散阻抗隨著壓力增加而變大，適當(dāng)?shù)膲毫τ欣跍p少活性鋰的損失，能夠減緩電池容量的衰減速率。隨著電池組裝壓力的增加，電池的循環(huán)壽命循環(huán)會明顯增加，但超過一定壓力后，繼續(xù)增加壓力，電池循環(huán)壽命反而下降。
另外膨脹力還涉及到可靠性，安全性，模組的結(jié)構(gòu)是否能夠承受起電池的膨脹力，直接影響到電池的使用安全；越來越多的研究證明，在電芯間增加緩沖物質(zhì)能夠有效減小電池的膨脹力。目前關(guān)于緩沖物質(zhì)本身物理特性對于緩減膨脹力的影響研究相對較少，本文選擇緩硅膠沖泡棉為研究對象，研究了厚度和硬度對電池膨脹力的影響。
01實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用方殼電芯，正極為LiNixCoyMn1-x-yO2三元材料，負(fù)極為石墨材料，電芯尺寸為100.7*148*39.7mm(高度*寬度*厚度)，標(biāo)稱容量為81Ah，最高電壓4.35V；兩電芯間貼合硅膠泡棉，泡棉長寬分別為142與90mm，用鋁排將兩個電池并聯(lián)連接，采用激光焊接的方式固定，模塊模型如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)1采用相同厚度、不同硬度硅膠泡棉，其厚度為2.0mm，邵A硬度值分別為12和31，將制備好的兩并電池模塊放入到特制的工裝夾具中，通過調(diào)節(jié)工裝夾具中夾板間的距離以施加預(yù)緊力，兩組測試均施加160kgf力以模擬實(shí)際成組過程中的預(yù)緊力。實(shí)驗(yàn)2采用硬度值邵A為18的硅膠泡棉，厚度分別為1.5mm、2.5mm，施加不同的預(yù)緊力，泡棉壓縮0.2mm，泡棉的壓縮量一致，再進(jìn)行充放電循環(huán)測試，測試工步如表1，整個測試裝置如圖2，壓力通過傳感器和存儲裝置記錄，記錄裝置每隔1分鐘記錄一次數(shù)值。
02實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)1采用相同厚度不同硬度的硅膠泡棉，泡棉的邵A硬度值分別為12和31，兩款硅膠泡棉的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3(a)，從圖中可以看出，硅膠泡棉的硬度值越小，應(yīng)力應(yīng)變曲線越平緩，即壓縮相同應(yīng)變所需的應(yīng)力越小，硬度大，泡棉再壓縮至后期時(shí)，應(yīng)力極具上升，變化顯著，具體應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值如表2。
硅膠泡棉應(yīng)力應(yīng)變
將兩并電池模塊放入工裝夾具中，模塊的初始容量為30%SOC，起始施加的預(yù)緊力均為160kgf，進(jìn)行充放電測試，循環(huán)100周，選擇出每次充放電過程中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力，結(jié)果如圖3(b)，膨脹力最小值在放電末，最大值在充電末，兩個?？熳钚∨蛎浟ο嗖畈淮螅鶑钠鹗嫉?15kgf降低為到108kgf，趨于穩(wěn)定。
在第一周充電過程中，由于初始容量為30%SOC，充電至滿電狀態(tài)時(shí)，邵A為12和31的膨脹力分別為165.3和174.8kgf，起始的7周循環(huán)中，最大膨脹力逐步減小，可能是預(yù)緊力存在一個穩(wěn)定的過程造成的，工裝具有一定的剛度，在夾具給模塊夾緊的過程中，模塊也對夾板有一定的反作用力，兩者之間的平衡關(guān)系需要一定的時(shí)間，分別降低到159.6和173.5kgf，再隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，充電末的最大膨脹力逐漸增大，趨近于線性變化，100周循環(huán)，最大膨脹力分別達(dá)到178.7和204kgf，變化速率分別為0.205和0.328kgf/周。
從中可以分析出，采用硬度小的緩沖物質(zhì)，能夠減小電池在充電過程中的最大膨脹力，因?yàn)橄嗤姵卦谙嗤臏y試工況中，所產(chǎn)生的膨脹量可認(rèn)為不變，電池膨脹對泡棉有擠壓作用，根據(jù)力的相互作用規(guī)律可知，泡棉對電池也存在反作用力，反作用力對電池同樣存在擠壓作用，以抵御電池的膨脹，硬度小的泡棉，反作用力小，對電池的擠壓程度小，所以膨脹力??；硬質(zhì)硅膠泡棉相同的應(yīng)變情況下應(yīng)力大，對電池的擠壓變形越大，膨脹力越大。
硅膠泡棉應(yīng)力應(yīng)變曲線
實(shí)驗(yàn)2根據(jù)實(shí)驗(yàn)1的結(jié)論，硬度小的硅膠泡棉能夠減小充電末膨脹力，采用了硬度值邵A為18的硅膠泡棉，泡棉的厚度分別為1.5mm、2.5mm，分別施加166.7和83.4kgf的預(yù)緊力，將泡棉壓縮0.2mm，按同樣的充放電工步循環(huán)350周；1.5mm厚度泡棉充電末的膨脹力從起始388.4kgf增加到710.9kgf，放電末的膨脹力從起始114.3kgf增加到312.8gf，放電過程力值變化從起始274.1kgf增加至398.1kgf；2.5mm厚度泡棉充電末的膨脹力從起始265.9kgf增加到524.5kgf，放電末的膨脹力從起始69.4kgf增加到215.3kgf，放電過程力值變化從起始274.1kgf增加至309.2kgf，從圖4(b)中可以看出，施加的預(yù)緊力越大，充電末與放電末的膨脹力差值也就越大。
有研究證明，給電池施加適當(dāng)?shù)臋C(jī)械壓力，能夠縮短Li+遷移的路徑，減小Li+的損失從而提高電池的使用壽命[10]，但壓力超過時(shí)，負(fù)極材料的層間距減小，層與層之間的范德華力增大，從而增大了Li+脫出的阻力，導(dǎo)致容量減小。從圖4(d)中可知，使用1.5mm泡棉的模塊起始放電容量168.7Ah，350周循環(huán)后放電容量降低為156.7Ah，保持率92.9%；使用2.5mm泡棉模塊起始放電容量168.2Ah，350周循環(huán)后放電容量降低為160.7Ah，保持率95.5%，模塊在200周循環(huán)后膨脹力增大速率加快，容量衰減加快，并且1.5mm泡棉的模塊衰減更明顯。
圖4(c)是充電末與放電末膨脹力的差值再與預(yù)緊力之差曲線，可認(rèn)為兩并模塊放電過程中極片引起的膨脹力變化，實(shí)驗(yàn)測試的兩個模塊在放電過程純膨脹力變化規(guī)律一致，隨著循環(huán)周數(shù)的增加而增加，曲線接近，在循環(huán)217周后，采用1.5mm厚度的泡棉的模塊力值變化大于2.5mm泡棉的模塊，經(jīng)過對比，采用1.5mm的泡棉電池外殼變形更2.5mm泡棉的模塊變形更大，這可能是泡棉的厚度小，可壓縮的行程小，吸收電池的膨脹力少；厚度較大的泡棉，可被壓縮的行程大，吸收電池膨脹力越多。另一方面變形越大，產(chǎn)生的膨脹力為越大，極片之間的擠壓越嚴(yán)重，導(dǎo)致負(fù)極材料石墨的層間距減小，層與層之間的范德華力增大，Li+的脫出的阻力增大，降低電池的容量，這與放電容量的變化曲線展現(xiàn)的結(jié)論相一致。
綜上述可得，電池膨脹力與施加的預(yù)緊力有關(guān)，預(yù)緊力越大膨脹力越大，另外，采用相同硬度的泡棉，可根據(jù)空間大小適當(dāng)增加其厚度，能夠減小膨脹力，從而提高電池容量保持率。
03結(jié)論
(1)電池之間緩沖物的軟硬度，對電池模塊膨脹力存在影響，硬度小的緩沖物，對電池的擠壓小，所吸收電池的膨脹力越大，能夠有效降低電池充電末的膨脹力，所以膨脹力小；硬質(zhì)泡棉相同的應(yīng)變的應(yīng)力大，對電池的擠壓變形越大，導(dǎo)致膨脹力越大。
(2)預(yù)緊力的大小對電池的膨脹力有影響，電池膨脹力是預(yù)緊力和極片膨脹共同作用，相互疊加的，膨脹力與電池的放電容量之間相互影響，膨脹力增大的速率越快，電池容量衰減越快；在相同硬度的緩沖物中，適當(dāng)?shù)脑龃缶彌_厚度，能夠降低電池的膨脹力，有利于提高電池的使用壽命，采用邵A為18，厚度為2.5mm的緩沖泡棉，模塊的膨脹力更小，容量保持率更高。
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