锂离子软包电池无损析锂分析—温度窗口

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℃，如图2所示。

图2.原位膨胀分析仪示意图

2、测试参数：

2.1 电芯信息如表1所示。

表1.电芯信息

2.2、测试流程：

设置电芯充电电流为0.5C，放电电流为1C，置于高低温箱原位膨胀分析仪测试腔中，分别在调整温度为25℃，15℃，10℃，0℃温度下进行充放电，同步用原位膨胀分析仪实时监控电芯膨胀厚度变化曲线（5kg恒压力模式）。

     对软包电芯分别在四种不同温度下采用相同的倍率满充，如图3所示，25℃，15℃，10℃， 0℃四种状态下最大厚度膨胀量分别为70.6μm，80.4μm ，80.1μm， 92.4μm，膨胀率分别为2.08%，2.35%，2.35%，2.71%。从图可看出0℃曲线与10℃、15℃、25℃曲线有明显差异，特别是高SOC状态下的膨胀厚度的斜率有差异，初步怀疑0℃电芯发生了析锂。

图3.电芯不同温度充电曲线和厚度变化曲线

    进一步分析不同温度的微分容量曲线，如图4所示。由图可知：四个温度对应的微分容量曲线的波峰位置与厚度膨胀速率变化突变是同步的，表明此电芯充电过程厚度变化是由于正负极材料有脱嵌锂的相变造成。且随着温度的降低，相变峰在不断右移动，说明极化在不断增加。对比不同温度的厚度膨胀曲线，其中0℃对应的厚度曲线，斜率有突变的位置对应的厚度膨胀量明显大于其他三个温度，且对厚度膨胀曲线进行微分，如图5所示也可明显看出，0℃的电芯的单位容量的膨胀厚度在充电容量大于30%SOC，电压达到4.27V后，也比其他三组的稍大，这很可能是因为随着测试温度的降低，电芯极化增大，负极表面有析锂，从而导致厚度膨胀的斜率较大。为验证0℃的电芯是否有析锂，对满充后的电芯拆解后观察负极表面颜色，如图6，发现25℃和10℃的满充电芯对应的负极表面没有明显的析锂现象，而0℃满充电芯的负极表面明显沉积有大量的灰色锂，说明该条件下电芯已发生明显析锂。

图4.电芯充电微分容量与厚度变化曲线

图5.电芯恒流阶段膨胀曲线

图6.电芯满充拆解图片

     为进一步验证析锂开始发生的位置，我们进行了一组不同温度梯次充电实验：电芯在0℃下0.5C恒流充电40%SOC后，转到25℃环境中恒流恒压充满（如图7），拆解电芯后发现负极表面确实已出现轻微的析锂，这说明析锂开始发生的位置是在其厚度膨胀曲线斜率有明显增加之前。

图7. 电芯阶梯温度充电曲线及拆解图片

本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对NCM体系电芯在同一倍率不同环境温度条件下的膨胀行为进行分析，通过对比不同温度条件下的膨胀厚度变化速率得到该体系电芯在0℃的低温环境下使用0.5C倍率恒流充电至30%SOC，电压达到4.27V时会发生析锂。准确定量电芯在不同温度下的析锂电压和SOC窗口能有效指导研发人员制定合适的快速充电策略，帮助提高电芯在不同环境温度下的充电效率。