機(jī)械壓力對(duì)軟包鋰離子電池電化學(xué)性能的影響是什么？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-20 21:53
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根據(jù)來源可以給這些壓力或應(yīng)力分為兩大類：內(nèi)部應(yīng)力和外部應(yīng)力
1，內(nèi)部應(yīng)力包括嵌入應(yīng)變、熱膨脹、相轉(zhuǎn)變、SEI生長(zhǎng)、氣體變化、枝晶生長(zhǎng)
2，外部應(yīng)力包括外加壓力、設(shè)計(jì)壓力、溫度變化、偶然機(jī)械壓力
以上這些應(yīng)力是如何影響電池的電化學(xué)性能呢？我們把關(guān)注點(diǎn)放在單體電池在運(yùn)行過程中機(jī)械應(yīng)力的演化。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力存在，整個(gè)電池看里面最軟的部分比如隔膜、粘結(jié)劑性能將會(huì)經(jīng)歷最大的變化。
以隔膜為例，比如在增加壓力的過程中隔膜會(huì)顯示出粘彈性蠕變和閉孔現(xiàn)象。而且壓力值隨著電池SOC狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化之中。
隔膜形變的機(jī)理：
1，孔結(jié)構(gòu)的彎曲變形
2，彈性壓縮
3，塑性流變
4，壓實(shí)硬化
現(xiàn)實(shí)情況我們還要考慮到隔膜是被電解液潤(rùn)濕的狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力的時(shí)候電解液一定會(huì)被擠出來跑去另外一個(gè)地方。
1，隨著應(yīng)力的增加，楊氏模量持續(xù)增加，隔膜會(huì)變得越來越硬
2，潤(rùn)濕的隔膜更有應(yīng)變速率依賴性
3，低應(yīng)變速率時(shí)DMC和 LiPF6顯示有軟化現(xiàn)象
4，大致來看LCO電池的1C充電相當(dāng)于10-4 應(yīng)變速率
外部壓力實(shí)驗(yàn)
為了觀察到電池在有外力束縛的情況下力的演變，確定壓力對(duì)電池性能的影響，采用了如圖4所示實(shí)驗(yàn)壓力裝置，使用500mAh電池0.5C 倍率CC /CV充放電（2.7~4.2V）
圖4 實(shí)驗(yàn)裝置
圖5 對(duì)比無壓力、低中高四種壓力狀態(tài)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6 在中高壓力下電池充放電過程中顯示出應(yīng)力松弛
可以看出總的應(yīng)力隨著循環(huán)的進(jìn)行在持續(xù)增加。
可以看出高壓力狀態(tài)下的循環(huán)壽命最差，循環(huán)最好的是低壓力狀態(tài)且好于無壓力狀態(tài)。那么容量衰減的機(jī)理是什么呢？
主要的機(jī)理有四個(gè)表現(xiàn)為兩種物理現(xiàn)象：
機(jī)理1，2 彈性形變+粘彈性蠕變，物理現(xiàn)象是隔膜閉孔阻礙鋰離子傳輸
機(jī)理3，4 電極老化+SEI界面生長(zhǎng)，物理現(xiàn)象是消耗鋰源
其中過大的壓力導(dǎo)致隔膜孔收縮關(guān)閉是一個(gè)關(guān)鍵的原因。如圖9 所示四種狀態(tài)下隔膜的狀態(tài)可以看的一目了然。其次是負(fù)極石墨的表面結(jié)構(gòu)所受的影響也是類似，負(fù)極 SEI 界面被破壞不斷消耗 Li 再生成 SEI。
從拆解電池的情況來看隨著壓力的增大滿充的表面狀態(tài)越來越差且表現(xiàn)為析鋰位置不一致。
建模的結(jié)果也顯示鋰離子的傳輸在局部受到阻礙，盡管全局的電壓顯示充滿了，但是由于受到局部壓力后的極化有些位置不是滿電狀態(tài)。
