Lade-/Entladeeffizienz und Quelldicke der Modell-Knopfzellen-Leistungsbewertung

Lithium-Ionen-Batterien werden in allen Bereichen des Lebens häufig eingesetzt, beispielsweise in Mobiltelefonen, Autos oder als Energiespeicher für Haushalte usw. Daher ist es besonders wichtig, die verschiedenen Leistungen von Lithium-Ionen-Batterien zu bewerten. Wir wissen, dass sich Lithiumbatterien beim Laden und Entladen ausdehnen oder schrumpfen. Daher ist der Quellparameter einer der wichtigen Parameter, die beim Entwurf von Lithiumbatteriemodulen berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus ist mit dem Aufkommen einer neuen Generation negativer Elektroden mit hoher spezifischer Kapazität (z. B. negative Elektroden auf Siliziumbasis oder negative Elektroden aus Lithiummetall) ihre strukturelle Schwellung viel offensichtlicher als die vontraditionellNegative Graphitelektroden^[1,2]Daher konzentrieren sich immer mehr Unternehmen auf die Bewertung derQuellleistung von Lithiumbatterien.

Normalerweise müssen Forscher Elektroden in einschichtige oder mehrschichtige fertige Batterien vorbereiten, um die Schwellung zu bewerten. Diese Methode hat einen langen Testzyklus, eine geringe Bewertungseffizienz und einen hohen Ressourcenverbrauch, was den Entwicklungsprozess neuer Materialien ernsthaft beeinträchtigt. IEST hat kürzlich die Modellknopfzelle auf innovative Weise zur Bewertung des Quellverhaltens der Batterieelektrode eingesetzt, was den Bewertungszyklus der Materialquellleistung erheblich verkürzt und eine Menge Personal- und Materialressourcen für die Vorbereitung von Batterien für Universitäten oder Unternehmen einsparen kann. Bei diesem Modell einer Knopfzellenbatterie sind die Benutzer am meisten besorgt darüber, ob ihre Zykleneffizienz mit der eines herkömmlichen Batteriepakets mit Stahlgehäuse vergleichbar ist. und ob die von der Modell-Knopfzellenbatterie gemessene Quelldickenänderung mit der der fertigen Batterie vergleichbar ist. Zu diesem Zweck bietet dieser Artikel entsprechende Vergleichsdaten basierend auf diesen beiden Aspekten, die für Benutzer bequem zu bewerten und auszuwählen sind.

1. Testbedingung

1.1 Prüfmittel: In diesem Artikel wird die Modellknopfbatterie des IEST verwendet und mit dem in-situ-Schnelltestsystem für das Anschwellen negativer Elektroden auf Siliziumbasis (RSS1400, IEST) zusammengearbeitet, um den Lade- und Entladetest sowie den Quellungstest moderner Knopfzellen- und Beutelzellenbatterien durchzuführen.

Abbildung 1. In-situ-Schnellscreeningsystem für Anodenquellung auf Siliziumbasis (RSS1400)

1.2 Lade- und Entladetestbedingungen

①VerwendenIESTs Modell-Knopfzellenbatterieum eine NCM//Li-Knopfzellen-Halbzelle und eine NCM//SiC-Knopfzellen-Vollbatterie zusammenzubauen und drei Lade- und Entladezyklen mit einer Rate von 01 °C durchzuführen, was für den anschließenden Vergleich zwischen kommerziellen Knopfbatterien mit Stahlgehäuse und der Leistung von praktisch ist Einschichtige gestapelte Beutelzellenbatterien.

②Verwenden Sie das handelsübliche 2032-Stahlgehäuse, um die Knopf-Halbbatterie von NCM//Li zusammenzubauen, und führen Sie drei Lade- und Entladezyklen mit einer Geschwindigkeit von 01 °C durch.

③ Bauen Sie laminierte NCM//SiC-Einschichtbatterien mit Pouch-Zellen zusammen und führen Sie drei Lade- und Entladezyklen mit einer Geschwindigkeit von 01 °C durch.

1.3 Testbedingungen für die Zellschwellung

Die NCM//SiC-Knopf-Vollbatterie und die laminierte Einzelschicht-Pouch-Cell-Batterie werden in das schnelle In-situ-Screeningsystem für Anodenquellung auf Siliziumbasis (RSS1400, IEST) eingesetzt. Nach Anlegen einer anfänglichen Vorlast von 5 kg wurden die Änderungen der Quelldicke der beiden während des Lade- und Entladevorgangs von 01C in Echtzeit überwacht.

2. Ergebnisanalyse

2.1Vergleich der Lade- und Entladeeffizienz zwischen der Knopfzellenbatterie des IEST-Modells und der kommerziellen 2032-Knopfzellenbatterie mit Stahlgehäuse. 

Das linke Bild in Abbildung 2 zeigt die Knopfzelle des IEST-Modells und das rechte Bild zeigt die kommerzielle 2032-Knopfzelle mit Stahlgehäuse. Wir haben ternäre positive Elektroden gleicher Größe und Zusammensetzung verwendet, um ein Paar Lithiumblech-Knopfhalbzellen zusammenzubauen, und die Coulomb-Effizienz der beiden bei 01C-Lade- und Entladeraten verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das kann sein Aus der Abbildung geht hervor, dass der erste Effekt der Modell-Knopfzelle etwa 89,13 % beträgt, was nur etwa 0,718 % niedriger ist als bei der kommerziellen Stahl-Knopfzelle. Die maximale Zykluseffizienz der zweiten und dritten Runde ist nur etwa 1,28 % niedriger des handelsüblichen Stahlschalenknopfes. Darüber hinaus beträgt der maximale Zykluseffizienz-COV des Modellknopfs und des Stahlgehäuseknopfs für drei Zyklen nur 0,65 % (wobei COV = Standardabweichung/Durchschnitt * 100, im Allgemeinen, wenn COV <5 %,

Abbildung 2. Das linke Bild ist die Modellschaltfläche von IEST; Das rechte Bild zeigt den kommerziellen 2032-Stahlschalenknopf.

Tabelle 1. Vergleich der Zykluseffizienz zwischen Knopfhalbzellen des NCM//Li-Modells und kommerziellen Knöpfen mit Stahlgehäuse

2.2 Vergleich derSchwellungDicke der IEST-Modell-Knopfzellenbatterie und der Beutelbatterie

Das linke Bild in Abbildung 3 zeigt die Knopfzellenbatterie des IEST-Modells und das rechte Bild zeigt eine einschichtige laminierte Pouchzellenbatterie. Die beiden verwenden die gleiche Zusammensetzung aus ternärer positiver Elektrode und negativer Silizium-Kohlenstoff-Elektrode, um eine vollständige Batterie zusammenzubauen, und überwachen die Änderung der Quelldicke der beiden während des Lade- und Entladevorgangs von 01C in Echtzeit. Die Spannungskurve und die Dickenschwellungskurve der beiden sind in Abbildung 4 dargestellt, der spezifische Wirkungsgrad für den gesamten Batteriezyklus und der Vergleich der Schwelldicke sind in Tabelle 2 bzw. Tabelle 3 dargestellt. Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass die Modell-Knopfzellenbatterie und die laminierte Beutelzellenbatterie alle eine gute Konsistenz aufweisen, unabhängig davon, ob es sich um die Spannungskurve während des Lade- und Entladevorgangs oder um die Dickenquellkurve handelt. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass der erste Wirkungsgrad der Modell-Knopfzellenbatterie und der laminierten Beutelzellenbatterie beträgt 41,82 % bzw. 42,42 %, und der Zykluswirkungsgrad der letzten beiden Zyklen unterscheidet sich nur um 0,12 %; Aus Tabelle 3 ist jedoch ersichtlich, dass die Dickenquellrate (COV) der beiden Kreise ebenfalls innerhalb von 3,5 % liegt, was darauf hinweist, dass die Dickenquellrate der beiden Kreise ebenfalls eine gute Konsistenz aufweist.

Abbildung 3. Das linke Bild zeigt die Knopfbatterie des IEST-Modells. Das rechte Bild zeigt die laminierte Batterie mit einlagigem Beutel.

Abbildung 4. Die blauen gepunkteten und durchgezogenen Linien sind die Spannungskurve bzw. die Dickenschwellenkurve des Modellknopfs;

Die orangefarbenen gepunkteten und durchgezogenen Linien stellen die Spannungskurve und -dicke darSchwellungKurve der einlagigen, beutellaminierten Batterie.

Tabelle 2. Vergleich der Zykleneffizienz zwischen NCM//SiC-Modell-Knopf-Vollbatterien und einlagigen Beutel-Laminatbatterien

Tabelle 3. Vergleich der Quelldicke der NCM//SiC-Modellknopf-Vollbatterie und der einschichtigen Beutellaminatbatterie

3. Zusammenfassung

In diesem Artikel werden die Lade- und Entladeleistung und die Quelldicke der Knopfzelle des IEST-Modells bewertet. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Zykluslade- und -entladeeffizienz der Modell-Knopfzelle im Wesentlichen die gleiche ist wie die der kommerziellen 2032-Stahlgehäuse-Knopfzelle, die Dickenschwellrate während des 3-Zyklus-Zyklus stimmt ebenfalls im Wesentlichen mit der überein Testergebnisse der einschichtigen Pouch-Zellen-Laminatbatterie zeigen, dass die Knopfzellenbatterie des IEST-Modells eine gute Zyklus-Lade-Entlade-Effizienz und einen guten Quellungsbewertungseffekt aufweist. In diesem Artikel wird die Verwendung eines siliziumbasierten In-situ-C-Systems zur schnellen Quellung negativer Elektroden (RSS1400, IEST) für die Verwendung mit diesem Modell empfohlen. Die Genauigkeit des Dickenquellungstests beträgt 0,1 μm, die Auflösung kann 0,01 μm erreichen.

4. Referenzmaterialien

[1] J. Lin, L. Wang, QS Xie, Q. Luo, DL Peng, CB Mullins und A. Heller, Stainless Steel-Like Passivation Inspires Persistent Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries. Angew. Chem. 135 (2023) e202216557.

[2] M. Ashuri, QR He und LL Shaw, Silizium als potenzielles Anodenmaterial für Li-Ionen-Batterien: wobei Größe, Geometrie und Struktur eine Rolle spielen. Nanoscale 8 (2016) 74–103.