一、作者信息及文章摘要
2017年,J.R.Dahn课题组针对不同硅负极的软包电池,采用原位表征方法测试其电极的体积、应力和厚度变化,并结合计算的方式,定量分析硅复合电极每种成分的体积膨胀占比,从而为深入理解硅基材料的膨胀机理奠定基础。
二、试验方案
1. 本实验中制作三种电池:
(A) Li(Ni1-x-yCoxAly)O2 (NCA)/SiO-graphite (供应商 A), 满充至4.2V对应容量为260 mAh;
(B)LiCoO2 (LCO)/Si Alloy-graphite(供应商 B), 满充至4.35V对应容量为230 mAh;
(C) Li(Ni1-x-yCoxAly)O2 (NCA)/nano Si-C(供应商 C), 满充至4.4V对应容量为165 mAh;
2. 测试设备和流程:原位XRD测试,原位体积膨胀测试,原位应力膨胀测试,原位厚度膨胀测试。应力和厚度测试装置如下图所示。
图1. 膨胀力和膨胀厚度测试设备
三、结果分析
图3为三种类型电池在充放电过程中的体积、应力和厚度膨胀测试曲线。从结果来看,电池A和B的体积膨胀和应力膨胀量相当,比电池C的膨胀要大,且电芯A和C在高电压范围内膨胀曲线均有类似的平台区,而电池B在高电压区的膨胀曲线是陡峭的增加或者减小。由于这个曲线的结果是正负电极共同的膨胀导致的,因此在分析单独负极的贡献时,需要分别知道对应的单独材料的膨胀量。
图3. 三种类型电池在充放电过程中的
体积、应力和厚度膨胀测试曲线
图4的(a)(b)曲线是其他相关文献中得到的纯Si和纯石墨在充放电过程中的体积膨胀比例,图(c)是本文章采用原位XRD的方式得到的NCA材料的膨胀比例。从结果可以看出,硅和石墨在充电过程会分别产生280%和10%的体积膨胀,且硅的膨胀曲线随SOC增加表现出线性增加的趋势,而石墨的膨胀曲线在2L→2阶的相变过程会存在一个台阶,此阶段没有明显的体积膨胀。NCA在充放电过程中的膨胀趋势是与硅和石墨相反的,整个充电过程会产生4.5%的体积收缩,且最主要的收缩量发生在高SOC区间段。
图4. 三种纯电极材料充放电过程的
体积变化比例曲线图
通过dV/dQ曲线拟合,得到Si和Gr复合时,每种成分对电极总的电压容量曲线的影响,如图5所示。图6为SiO/Gr复合电极和NCA电极的全电池对应的各成分体积膨胀曲线分解图。从结果来看,电芯A的体积膨胀曲线在高电压段出现平台区的原因是NCA的收缩抵消了SiO的膨胀,因此在全电芯的膨胀曲线上表现出了平台区。
图5. Si和Gr的复合电压容量曲线拟合
图6. SiO/Gr复合电极和NCA电极的全电池
对应的各成分体积膨胀曲线分解
图7为电芯B和C的长循环过程膨胀力和容量变化曲线,对比两种电芯的循环和膨胀性能,LCO/Si合金掺碳的电芯的不可逆膨胀力以及容量衰减速率均大于NCA/Si-C电芯。
图7. 电芯B和C的长循环过程膨胀力和容量变化曲线
四、总结
本文作者采用原位表征方法测试其电极的体积、应力和厚度变化,并结合计算的方式,定量分析硅复合电极每种成分的体积膨胀占比,从而为深入理解硅基材料的膨胀机理奠定基础。
IEST元能科技相关测试设备推荐◤
原位产气体积监控仪:型号GVM2200(IEST元能科技),有如下特点:
1.力电同芯测试系统:长时间原位在线监控,且高分辨率1μL;
2.实现不同温度测试环境:20~85℃;
3.专用测试软件:实时采集、显示力学测试系统数据,自动绘制体积变化曲线与电性能曲线;
SWE系列原位膨胀分析系统(IEST元能科技):利用高度稳定且可靠的自动化平台,搭载高精测厚传感器,实现对电芯整个充放电过程的厚度变化量和变化速率的测量, 可实现如下功能:
1.恒压力条件测试电池膨胀厚度曲线;
2.恒间隙条件下测试电池膨胀力曲线;
3.电池压缩性能测试:应力应变曲线-压缩模量;
4.电池膨胀力分步测试;
5.不同温度控制:-20~80℃。
文献原文
A. J. Louli, Jing Li, S. Trussler, Christopher R. Fell, and J. R. Dahn. Volume, Pressure and Thickness Evolution of Li-Ion Pouch Cells with Silicon-Composite Negative Electrodes. Journal of The Electrochemical Society, 164 (12) A2689-A2696 (2017).
758
- 1无卤低烟阻燃材料中炭黑含量检测结果异常情况的分析
- 2GB 36246-2018中小学合成材料面层运动场地全文
- 3ASTM-D638-2003--中文版-塑料拉伸性能测定方法
- 4GBT 15065-2009 电线电缆用黑色聚乙烯塑料
- 5GB_T2951.41-2008电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法
- 6GBT 13021-2023 聚烯烃管材和管件 炭黑含量的测定 煅烧和热解法
- 7PEG熔融相变温度测试
- 8聚碳酸酯(PC) DSC测试玻璃化转变温度
- EVA型热熔胶书刊装订强度检测与质量控制研究
- 自动热压机的发展趋势是怎样的?
- 用户论文集 ▏化学吸附 ▏铱-铼共沉积乙醇处理后SiO2载体催化剂应用在甘油氢解反应
- 为什么近期单壁碳纳米角(CNH)的研究进展值得关注?
- 为什么介孔SiO2在药物递送领域的应用越来越多?
- FRITSCH飞驰球磨——不锈钢介导的水中球磨条件下定量H2生成实验研究
- 为什么MoS2在催化领域的研究进展值得关注?
- 飞纳台式扫描电镜助力纳米纤维在心血管组织再生中的研究
- 磷酸化修饰鬼臼果多糖的制备及生物活性
- DSR论文解读:Advanced Science News 报道中科院长春应化所新型非铂催化材料研究成果
- High-throughput preparation, scale up and solidification of andrographolide nanosuspension using hummer acoustic resonance technology(纳米混悬剂制备的前瞻性技术 - 蜂鸟声共振)
- 扫描电镜优秀论文赏析|飞纳台式扫描电镜电极材料上的应用
- 扫描电镜论文赏析-干旱影响杨树叶片及次生木质部发育的分子机制
- 压实度与密实度的区别
- 振实密度和压实密度的关系
- 勃姆石专用气流粉碎机分级机打散机