Analyse des Zusammenhangs zwischen der Quellleistung einzelner Batteriezellen und Modulbatteriezellen

Mit der rasanten Entwicklung der neuen Energiebranche sind Fahrzeuge mit Lithium-Ionen-Antrieb weit verbreitet und die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien ist immer wichtiger geworden. Während des langfristigen Lade- und Entladezyklus eines Moduls, das aus einzelnen in Reihe oder parallel geschalteten Batteriezellen besteht, kommt es aufgrund der Lithiumextraktion und der Gasentwicklung zu einer gewissen Schwellung der Zellen, die sich auf die strukturelle Festigkeit des Modulgehäuses auswirkt . In einem Batteriepack oder Fahrzeugsystem, wenn dieSchwellungWenn die Kraft einer einzelnen Batterie zu groß ist, kann das Außengehäuse platzen und ein Sicherheitsrisiko darstellen. Daher ist die Überwachung derSchwellungLeistung wird bei Langzeit-Zyklustests von Batterien benötigt. Da Batteriezellen in unterschiedlichen Mengen und unterschiedlichen seriell-parallelen Konfigurationen zu Batteriemodulen zusammengefasst werden und auch die Vorspannkraft unterschiedlich gestalteter Module unterschiedlich sein wird, ist es notwendig, Experimente zu mehreren Einflussfaktoren durchzuführenSchwellungLeistung, um die vorläufig zu erkundenSchwellungVariationsgesetz von Batteriezellen-Modulen, kombiniert mit Simulation und Modellierung, die dabei helfen können, die Module besser zu entwerfen. Dieses Experiment liefert grundlegende Daten für die Vorhersage und Simulation von BatteriemodulenSchwellungKraft durch Vergleich derSchwellungDicke undSchwellungKraftkorrelation von Einzelzelle und Mehrzelle beim Laden und Entladen.

Abbildung 1. Schematische Darstellung einer einzelnen Zelle und eines Moduls

1. Experimentelle Ausrüstung und Testmethoden

1.1 Experimentelle Ausrüstung: In-situ-Schwellungsanalysator, Modell SWE2110 (IEST), das Aussehen der Ausrüstung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Aussehen der SWE2110-Ausrüstung

1.2 Testverfahren

1.2.1 Die Zellinformationen sind in Tabelle 1 aufgeführt

Tabelle 1. Informationen zur Testzelle

1.2.2 Lade-Entlade-Prozess: 25°C Ruhe 60min; 0,5 C CC bis 4,35 V, CV bis 0,05 C; 30 Minuten ruhen; 1,0C DC bis 3,0V.

1.3 Zelldicken-Schwellungstest: Setzen Sie die zu testende Zelle in den entsprechenden Kanal des Geräts ein, öffnen Sie die MISS-Software, stellen Sie die Zellzahl und die Abtastfrequenzparameter für jeden Kanal ein, und die Software liest automatisch die Zelldicke und Dickenschwankung , Testtemperatur, Strom, Spannung, Kapazität und andere Daten.

2. Experimenteller Prozess und Datenanalyse

Wie in Abbildung 3 dargestellt, gibt es im Allgemeinen drei Modi für Quelltests von Zellen und Modulen: (a) Messung der freien Quellung ohne Einschränkungen: (b) Messung der Quellung von Batteriezellen bei konstanter Vorspannung; (c) Konstanter Spalt Die Messung der Schwellung der Batteriezelle.

Die Kraftanalyse der drei Situationen unter ausgeglichenen Bedingungen ist in Abbildung 3 dargestellt. Im ersten Fall schränkt die äußere Hülle die Kraft einSchwellungdes inneren Kerns sind die Kräfte auf die äußere Hülle und den Kern ausgeglichen und die äußere Kraft ist Null; In beiden Fällen wird eine externe Vorlast (F0) auf die Zelle ausgeübt, die eine anfängliche Verschiebung des Zellgehäuses verursacht (s0 und s0,c in Abbildung 3b), und die phasenseitigen Bindungsplatten erhöhen die Richtung senkrecht zur Elektroden Die obige äquivalente Steifigkeit KS, die Vorspannkraft F0 unter Gleichgewichtsbedingungen (entspricht der Kraft Fs der beidseitig gebundenen Version) ist gleich der Summe der Kräfte auf den Wickelkern und das Batteriegehäuse; im dritten Fall, wenn die Lücke ständig gemessen wird, da die Lücke unter festen Bedingungen istSchwellungAuch das Verhalten des Wickelkerns und des Batteriegehäuses bei der Ausdehnung der Batterie unterscheidet sich von dem unter freien Bedingungen.

Kurz gesagt: Da es sich bei dem Modul um eine Kombination aus mehreren Batterien handelt, schrumpft und dehnt sich die Kunststoffdichtung zwischen Batteriegehäuse und Batterie während des Belastungsprozesses aus. Die getestete Dicke und Kraft sind dieSchwellungund Kontraktion der Lithium-Interkalation und Desorption von Elektroden und derSchwellungund Kontraktion anderer Komponenten sind das kombinierte Ergebnis. In dieser Arbeit werden die Testmodi „Konstanter Druck“ und „Konstanter Abstand“ verwendet, um die Korrelation zwischen dem Monomer und dem Modul zu untersuchen.

Abbildung 3 Drei Modi des Zell- und Moduleinheiten-Schwellungstests.

2.1 Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Quelldicke des Monomers und dem Modul

Wie in Abbildung 4 dargestellt, wurde vor dem Test eine weiße PET-Folie auf die Zellen geklebt, um die Zwischenschicht zwischen den einzelnen Zellen zu simulieren. Die Überlagerungstestmethode von Zellen ist in Abbildung 5 dargestellt. Schalten Sie den In-situ-Schwellungsanalysator (SWE2110) ein, stellen Sie den 200-kg-Konstantdruckmodus ein, laden und entladen Sie parallel und testen Sie die Schwellungsdickenänderungen einzelner Zellen und gestapelter Zellen in situ, wie in Abbildung 6 dargestellt: Die durchgezogene Linie ist die tatsächliche Quellkurve des Kerns, die gestrichelte Linie ist die angepasste Überlagerungskurve (arithmetische Summe). Den Ergebnissen zufolge zeigen sowohl die Einzelzelle als auch die Stapelzelle das Phänomen der Ladungsschwellung und Entladungskontraktion, das hauptsächlich auf die strukturelle Schwellung und Kontraktion von Graphit und ternären Materialien zurückzuführen ist, die durch den Prozess der Lithium-Deinterkalation verursacht wird.

Abbildung 4. Schematische Darstellung einer Batterie mit PET-Folie

Abbildung 5. Schematische Darstellung der Zellüberlagerung

Abbildung 6. Variationskurven der Quelldicke jeder Batteriezelle und nach Überlagerung

2.2 Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Quellkraft des Monomers und dem Modul

Stellen Sie den Konstantlückenmodus ein, laden und entladen Sie parallel und testen Sie dasSchwellungKraftänderungen der einzelnen Zelle und der gestapelten Zelle beim Laden und Entladen in situ, wie in Abbildung 7 dargestellt. Den Ergebnissen zufolge nimmt die gesamte Quellkraft des Moduls mit zunehmender Anzahl gestapelter Zellen im Modul weiter zu Anstieg, aber der Absolutwert der Quellkraft der Modulzelle steht in keinem mehrfachen Zusammenhang mit der Quellkraft der Einzelzelle. Sie ist kleiner als die Summe der Quellkräfte mehrerer Einzelzellen und je mehr Zellen gestapelt sind, desto größer ist der Unterschied im absoluten Wert. Dies kann die Randbedingung für die Steuerung des konstanten Abstands sein, der dazu führt, dass die Zellen im Modul einen anderen Zustand haben als der einer einzelnen Batteriezelle beim Laden und Entladen, was sich auf die elektrochemische Leistung auswirkt. und der Grund für den Unterschied muss weiter untersucht werden. Dabei kann gleichzeitig die Kapazität der Einzelzellen vor der Gruppierung und die Kapazität der Einzelzellen nach der Gruppierung berücksichtigt und verglichen werden. Der Druck nach dem Stapeln steigt nicht linear an, was möglicherweise daran liegt, dass der Überdruck der Zellen nach dem Stapeln einen kritischen Wert erreicht. Die Komprimierung des Raums zwischen den Polstücken oder noch mikroskopischerer Abmessungen wirkt sich zwangsläufig auf die Batterieleistung aus!

Abbildung 7. Variationskurve vonSchwellungKraft jeder Batteriezelle und Überlagerung

Aus den obigen Ergebnissen geht hervor, dass das Modul oder der PACK fest im Gehäuse des Batteriepacks installiert ist und die Dichtungen zwischen den einzelnen Zellen einen relativ großen Einfluss auf die Gesamtkraft habenSchwellungdes Moduls. Durch ein hervorragendes Batteriemoduldesign kann dies vermieden werdenSchwellungaus einzelnen Zellen. Die kürzlich von CATL eingeführte Kirin-Batterie integriert die Nutzungsanforderungen, indem sie horizontale und vertikale Träger, wassergekühlte Platten und Wärmeisolationspads in einem vereint und sie in eine multifunktionale elastische Zwischenschicht integriert. In der Zwischenschicht ist eine Mikrobrückenverbindungsvorrichtung eingebaut, die flexibel mit der Atmung des Batteriekerns zusammenarbeiten kann, um sich frei auszudehnen und zusammenzuziehen und die Zuverlässigkeit des Batterielebenszyklus zu verbessern.

Abbildung 8. Multifunktionale elastische Zwischenschicht der Kirin-Batterie in CATL

3. Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird der In-situ-Schwellungsanalysator (SWE) verwendet, um die Quelldicke und Quellkraft derselben Systemeinzelzelle und unterschiedlicher Anzahl von Modulzellen während des Lade- und Entladevorgangs zu analysieren. Es wurde festgestellt, dass die Quelldicke der Modulzellen im Konstantdruckmodus Der Änderungstrend kann durch die arithmetische Einzelzellensumme angepasst werden, aber die einfache arithmetische Anpassungsmethode ist im Konstantspaltmodus, der sich von der Kraft unterscheidet, nicht erfüllt der einzelnen Zelle im Messmodus der beiden Randbedingungen. Im nächsten Schritt können Sie das Kraftmodell in verschiedenen Testmodi weiter untersuchen und den Quellvorgang der Elektrode detaillierter analysieren.

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