三元电芯原位膨胀分析-不同温度条件
温度会影响锂离子电池的功率性能，过高的温度会加剧副反应的发生，而过低的温度又会导致负极析锂，影响电池安全性能。随着锂离子电池在全球各行各业的普及，对锂离子电池的可耐温度范围也提出了较高的要求，需要其可适应不同地域的环境温度。本文采用原位膨胀分析仪（SWE），对NCM523/石墨电芯（3446106，理论容量2400mAh）进行不同温度条件下（0℃，25℃，45℃，60℃）充放电过程的厚度变化测试，对比分析电芯膨胀行为。
测试信息
1.测试设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2100（IEST元能科技），可施加压力范围50~10000N，可调控温度-20℃~80℃。
2.测试参数：
2.1 充放电流程：rest 5min; 0.3CCC to 4.35V, CV to 0.025C; rest 5min; 0.3C DC to 2.8V。
2.2 电芯厚度膨胀测试：将待测电芯放入设备对应通道，开启MISS软件，设置各通道对应电芯编号，采样频率1s，测试施加压力100N等参数，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。
结果分析
1.充放电过程电芯膨胀曲线
电芯在4种温度条件下进行0.3C充放电测试，膨胀曲线如图1所示。从室温25℃升高至45℃和60℃时，满充对应的电芯膨胀厚度稍微增加，这可能是由于热效应或温度的升高增加了副反应的量而导致的厚度膨胀。从室温降至0℃时，满充对应的电芯厚度有较大的增加，这很可能是由于低温条件导致充电过程严重析锂，从而引起厚度增加且放电容量偏低。
图1.电芯在4种温度条件下充放电曲线和膨胀曲线
2. 微分容量曲线分析
对比电芯在4种温度条件下的微分容量曲线，如图2。随着温度从室温25℃升高至45℃和60℃时，电芯充电过程的主要脱锂峰位向高电压稍微偏移，说明温度的升高会使电池极化增大，从而增大锂离子从三元材料结构中脱出的阻力。而温度降低至0℃时，充放电的脱嵌锂峰位已严重偏离室温时的电位，说明低温同样也增加了电池的极化，影响电池的功率性能。
图2.电芯在4种温度条件下的微分容量曲线
3. 充放电过程不可逆膨胀分析
电芯在4种温度条件下的膨胀与SOC曲线，如图3。充电和放电对应的膨胀曲线的间距代表了不可逆膨胀，4种温度条件下（0℃，25℃，45℃，60℃）电芯在满放时的不可逆膨胀分别为0.97%、0.01%、0.03%、0.24%。随着温度从室温25℃升高至45℃和60℃，不可逆膨胀逐渐增加，而温度从室温降低至0℃时，电芯的不可逆膨胀也增加，但在高温和低温两种条件下导致不可逆膨胀的原因可能不同，后续会进一步研究。
图3. 4种恒定压力下不同SOC的膨胀曲线
总结
本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对NCM523电芯在不同温度条件下充放电过程中的厚度膨胀进行分析。温度从室温25℃升高至45℃和60℃，以及从室温25℃降至0℃时，电芯的不可逆膨胀均增加，但在高温和低温两种条件下导致不可逆膨胀的原因可能不同，后续会进一步研究温度的影响。
参考资料
1.XiaoDu, Qi Wu, Ya-Na Wang, Tai-Song Pan, Yi-Min Wei, Hao-Sen Chen, Wei-Li Song,Dai-Ning Fang. Visualizing two-dimensional internal temperature distribution incylindrical Li-ion cells. Journal ofPower Sources, 446 (2020) 227343.
2.Sun Ho Park, Joonam Park, Myung-Hyun Ryou,Yong Min Lee. Sensitivity of power of lithium-ion batteries to temperature: Acase study using cylindrical- and pouch-type cells. Journal of Power Sources, 465 (2020) 228238.
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