Análisis de correlación del comportamiento de hinchamiento de la célula individual y la célula modular
El único célula de la batería se expandirá hasta cierto punto debido a la desintercalación del litio y a la producción de gas, lo que afectará a la resistencia estructural de la carcasa del módulo. En el pack de baterías o en el sistema del vehículo, si la fuerza de hinchamiento de la batería individual es demasiado grande, puede reventar la carcasa y provocar un riesgo para la seguridad. Por lo tanto, es necesario introducir la supervisión del rendimiento de hinchamiento en la prueba de ciclo a largo plazo de la batería.
Dado que las celdas de la batería se combinan en distinto número y de distintas formas en serie y en paralelo al formar módulos de batería, la fuerza de preinflado de módulos con distintos diseños también será diferente. Por lo tanto, es necesario realizar experimentos sobre varios factores que afectan al rendimiento de hinchamiento, y explorar inicialmente la ley de cambio de hinchamiento del módulo de celdas de batería, combinado con la simulación, lo que puede ayudar a diseñar mejor el módulo.
Este artículo proporciona datos básicos para la predicción y simulación de la fuerza de hinchamiento del módulo de la batería mediante la comparación del espesor de hinchamiento y la correlación de la fuerza de hinchamiento de una y varias celdas durante la carga y la descarga.
Figura 1 Diagrama esquemático de una célula y un módulo
Equipos experimentales y métodos de ensayo
1. Equipo experimental: Analizador de hinchamiento in situ, modelo SWE2110 (IEST Yuanneng Technology), el aspecto del equipo se muestra en la figura.
Figura 2. Aspecto del equipo SWE2110
2. Proceso de prueba:
La información sobre las células figura en el cuadro 1.
| Información de la célula | |
|---|---|
| Cátodo | NCM |
| Ánodo | Grafito |
| Capacidad | 2000mAh |
| Tensión | 3.0~4.2V |
| Modelo | 345877 |
3. Ensayo de hinchamiento del espesor celular: Coloque la célula que desea probar en el canal correspondiente del dispositivo, abra el software MISS, establezca el número de célula y los parámetros de frecuencia de muestreo correspondientes a cada canal, y el software leerá automáticamente el grosor de la célula, la variación del grosor, la temperatura de prueba, la corriente, la tensión, la capacidad y otros datos.
Proceso experimental y análisis de datos
Como se muestra en la figura 3, en general existen tres modos para los ensayos de hinchamiento de celdas y módulos: (a) medición del hinchamiento libre sin ninguna restricción; (b) medición del hinchamiento de celdas con precarga constante aplicada; (c) medición del hinchamiento de celdas con separación constante. Una batería o unidad modular puede descomponerse en dos componentes de rigidez equivalentes: la rigidez equivalente ka de la célula interior y la rigidez equivalente kc de la carcasa.
En la figura 3 se muestra el análisis de fuerzas de los tres casos en condiciones equilibradas. En el primer caso, la carcasa exterior restringe el hinchamiento del núcleo interno del devanado, la fuerza sobre la carcasa exterior y la fuerza sobre el núcleo del devanado están equilibradas, y la fuerza externa es cero; En el segundo caso, se aplica una carga externa de precarga ( F 0 ) a la batería, provocando un desplazamiento inicial de la carcasa de la batería (s0 y s0,c en la Fig. 3b),
La rigidez equivalente ks en la dirección perpendicular al electrodo se ve incrementada por las placas de unión a ambos lados de la fase. En condiciones de equilibrio, la precarga F0 (igual a la fuerza Fs de la placa de unión a ambos lados) es igual a la suma de las fuerzas sobre el núcleo del devanado y el estuche de la pila; En el tercer caso, cuando la separación se mide constantemente, el hinchamiento del núcleo del devanado y del estuche de la pila cuando ésta se expande también es diferente del que se produce en condiciones libres debido a la condición de separación fija.
En resumen, dado que el módulo es una combinación de varias baterías, la junta de plástico entre la caja de la batería y la batería se contraerá y expandirá durante el proceso de tensión. El grosor y la fuerza probados son el resultado combinado de la hinchazón y contracción de la intercalación y extracción de litio de los electrodos y de la hinchazón y contracción de otros componentes. En este trabajo, se utilizan los modos de ensayo de presión constante y separación constante para estudiar la correlación entre el monómero y el módulo.
Figura 3. Tres modos de ensayo de hinchamiento de células y módulos unitarios
1. Investigación sobre la relación entre el espesor de hinchamiento del monómero y el módulo
Como se muestra en la figura 4, para simular la capa intermedia entre las células individuales, se pegó una capa de película blanca de PET sobre las células antes de la prueba. En la figura 5 se muestra el método de ensayo de superposición de células. Encienda el analizador de hinchamiento in situ (SWE2110), establezca el modo de presión constante de 200 kg, cargue y descargue en paralelo y pruebe los cambios de grosor de hinchamiento de las células individuales y de las células apiladas in situ, respectivamente. Como se muestra en la Figura 6: la línea continua es la curva de hinchamiento real de la célula, y la línea de puntos es la curva de superposición ajustada (suma aritmética).
A partir de los resultados, tanto la célula única como la célula apilada muestran el fenómeno de hinchamiento de la carga y contracción de la descarga, que se debe principalmente al hinchamiento y la contracción estructurales del grafito y los materiales ternarios causados por el proceso de desintercalación del litio. Con el aumento del número de células apiladas, el grosor total de hinchamiento del módulo sigue aumentando, y la curva de superposición de hinchamiento de las células múltiples (línea continua azul) coincide básicamente con la curva de superposición aritmética y de hinchamiento de una sola célula (línea discontinua azul), y sólo hay algunas diferencias al final de la carga y la descarga.
Esto puede estar relacionado con la escasa consistencia de cada célula individual, y con el aumento del número de células apiladas, mayor es la diferencia entre la curva medida y la curva ajustada, lo que demuestra que cuanto mayor es el módulo con múltiples células, mayores deben ser los requisitos de consistencia para el monómero.
Figura 4. Diagrama esquemático del apilamiento de pilas con película de PET; Figura 5. Diagrama esquemático del apilamiento de pilas
Figura 6. Curva de variación del espesor de hinchamiento de cada célula de la batería y después del apilamiento
2. Exploración de la relación entre la fuerza de hinchamiento del monómero y el módulo
Establezca el modo de separación constante, cargue y descargue en paralelo, y compruebe los cambios de la fuerza de hinchamiento de la célula individual y de la célula apilada en el proceso de carga y descarga in situ, como se muestra en la figura 7. Según los resultados, a medida que aumenta el número de baterías apiladas en el módulo, la fuerza de hinchamiento total del módulo sigue aumentando.
Sin embargo, el valor absoluto de la fuerza de hinchamiento de la célula del módulo no tiene una relación múltiple con la fuerza de hinchamiento de la célula individual, y suele ser menor que la suma de las fuerzas de hinchamiento de múltiples células individuales. y cuanto mayor sea el número de células apiladas, mayor será la diferencia en el valor absoluto, que puede ser la condición límite para controlar la separación constante, Hará que el estado de la célula de la batería individual en el módulo sea diferente al de una célula de la batería individual cuando se cargue y descargue, lo que afectará al rendimiento electroquímico. Es necesario seguir estudiando la razón de esta diferencia.
La capacidad de las celdas individuales antes de la agrupación y la capacidad de las celdas individuales después de la agrupación pueden tenerse en cuenta y compararse y analizarse al mismo tiempo. Tras el apilamiento, la presión no aumenta linealmente. Puede deberse a que la presión superpuesta de las celdas de la batería tras el apilamiento alcanza un valor crítico y comprime el espacio aún más microscópico entre las piezas de los polos, ¡lo que seguramente se reflejará en el rendimiento de la batería!
Figura 7. Curva de variación de la fuerza de hinchamiento de cada célula de la batería y superposición
De los resultados anteriores se desprende que el módulo o PACK está instalado de forma fija en la carcasa de la batería, y las juntas entre las celdas individuales tendrán un impacto relativamente grande en la fuerza global y el hinchamiento del módulo. Un excelente diseño del módulo de la batería puede eliminar el hinchamiento de las celdas individuales.
Recientemente, la batería Qilin lanzada por CATL ocupa el primer lugar en fabricantes de baterías de litio hierro fosfato de China integra las necesidades de uso, combinando las vigas horizontales y verticales, las placas refrigeradas por agua y las almohadillas de aislamiento térmico en una sola, e integrándolas en una capa intermedia elástica multifuncional. En la entrecapa se ha incorporado un dispositivo de conexión de micropuente, que puede cooperar de forma flexible con la respiración del núcleo de la batería para expandirse y contraerse libremente, y mejorar la fiabilidad del ciclo de vida de la batería.
Figura 8. Capa intermedia elástica multifuncional de la batería Qilin en CATL
Resumen
En este trabajo, se utiliza el analizador de hinchamiento in situ (SWE) para analizar el grosor y la fuerza de hinchamiento de la célula individual del mismo sistema y de diferentes números de células de módulo durante el proceso de carga y descarga.
Se observa que en el modo de presión constante, la tendencia de variación del espesor de hinchamiento de la célula del módulo puede ajustarse mediante la suma aritmética de células individuales, pero en el modo de separación constante, el método de ajuste aritmético simple no se satisface.
Esto es diferente de la fuerza de la célula única bajo el modo de medición de las dos condiciones de contorno. El siguiente paso puede continuar explorando el modelo de fuerza bajo diferentes modos de prueba y analizar el proceso de hinchamiento del electrodo con más detalle.
