365bet提款验证,宁德时代锂离子电池的扩展能力研究

为了满足电动汽车对高能量和长寿命的需求,以三元镍钴锰材料为正极的锂离子电池已经成为工业化的重点。安全,可靠,长寿命的电池系统的开发是新能源电动汽车产业健康发展的必要前提。插入和拔出锂离子产生的膨胀力不仅危害电池系统的安全性,而且还会影响电池的使用寿命。此外,膨胀力会随着循环次数的增加而增加。在本文中,CATL(CATL)研究人员研究了不同电极数量对电池膨胀的影响。如果电极和铝壳之间的间隙相同,则膨胀力越大,并且容量下降的速度越快,电极片在电池中的数量就越大,模块中的膨胀力也越大更强。由于电极片数量越多,模块中的膨胀力越强,因此必须为每个结构组件设计更强的强度,以确保模块在其使用寿命内安全耐用。研究结果对电池系统的设计具有一定的指导意义。
为了研究由不同数量的电极片组成的电池和模块的循环膨胀行为的差异,我们使用三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)和石墨负极制造了电极片40。电极使用金属板和60个电极。组装电极片以形成具有名称S40和S60的铝壳电池。两块电池之间的唯一区别是电极片的数量以及电极与方形铝制外壳之间的安装间隙。用途相同。方盒的高度和宽度相同,并且电池的结构在图1和图2中示出。1a和b。S40电池和S60电池组装成相同大小的模块。为了在模块级别上保持相同数量的电极片,S40电池使用6个电池系列的安装模块(缩写为S40_1P6S)和S60电池4个电池系列的组装模块(缩写为S60_1P4S)所示为该模块的简化示意图。在图1c和d中。
图1.实验电池和模块的示意图:(a)S40电池,(b)S60电池,(c)S40_1P6S模块,(d)S60_1P4S模块。
将S40电池和S60电池在25℃下进行循环实验,并且记录循环期间的膨胀力作为充电和放电的函数。各自的曲线如图2和图3所示。从图中可以看出,S40电池和S60电池在循环之前的容量下降趋势约为1000倍,在此期间膨胀力的增长也表现出一致的趋势。在相同温度下,衰减趋势为:电极数量不同的相同设计电池的循环容量和膨胀力的增长趋势基本相同,不受电极数量的影响。此时,电池中的电极膨胀可能仍在电极板和铝盖之间的预留间隙中,并且那里没有令人讨厌的硬膨胀。随着循环次数的增加,S60电池的容量下降加速了与S40电池相比,经过约1,000次循环后,膨胀力的增长趋势也加快了。在电池循环的最后阶段,由于S60电池具有更多的电极板,因此电极板比S40电池具有更多的溶胀和气体产生。由于两块电池的电极接线片和铝壳之间的距离相同,因此S60电池的膨胀最初会超过预留的距离,并且膨胀力增大,同时,由于现有的膨胀力,锂的转移离子受到限制,并且电池的内部阻抗也增加,这导致电池容量的更快衰减。可以看出,在电极与铝壳之间的间隙相同的情况下,电池的膨胀力随着循环次数达到一定阶段而迅速增加,其中电极片的数量会迅速增加,并且膨胀力的加速也会引起容量的增加。减少。
图2.电池容量和膨胀力降低。
图3.电池的充电和放电曲线,(a)S40,(b)S60。模块的设计不仅必须承受由外部振动和冲击引起的损坏,而且还必须承受由电池产生的膨胀力引起的应力。将S40电池和S60电池组装成相同长度的模块,由于S60电池的厚度和容量是S40电池的1.5倍,因此将S40电池组装为1P6S模块和S60,以确保其长度和水平两种模块是相同的。电池内置在1P4S模块中。关于模块结构的设计,每个S40和S60电池的正面之间的距离分别为2.4mm和2mm。S40_1P6S模块电池之间的总距离为12毫米,S60_1P4S模块电池之间的总距离为6毫米。在两个模块上进行循环实验以确定电容衰减的变化,并练习模块端板的膨胀力。从图4可以看出,随着膨胀力的增加,两个模块的容量保持率分别为减小,这再次证明了膨胀力引起电容的衰减。S60_1P4S模块的早期膨胀力与S40_1P6S模块的早期膨胀力几乎相同,但经过约400个循环,其增长速度明显快于S40_1P6S模块,并且其容量下降速度也明显高于S40_1P6S模块。S40_1P6S模块的组件
S60_1P4S模块还随着扩展力的增加而加速其增长,这可能是因为S60_1P4S模块的总保留距离小于S40_1P6S模块的总保留距离,所以电池的总扩展空间较小,并且扩展力端板的增加越大,因此膨胀力也越大。另一个原因是,根据之前对电池膨胀力的分析,S40和S60中的电极与铝壳之间的间隙是相同的,电极片越多,最后一个时期的膨胀力就越大400周期后,S60_1P4S模块的膨胀力迅速增加。由于S60_1P4S模块的电池中的电极片越多,膨胀力越强,因此必须提高每个组件的强度,以确保模块在使用寿命内安全耐用。另一方面,为了提高循环寿命,有必要在模块中的电池之间设计更大的间隙,这可以减小膨胀力并增加循环寿命,但是,通常没有足够的空间来留出较大的间隙。因此,应同时考虑膨胀力和间隙。
图4.模块电容衰减与膨胀力之间的关系。仿真对于缩短产品开发周期,提高开发效率和质量非常重要,并且在电池产品开发阶段起着非常重要的作用。对不同数量的电极片的电池膨胀力特性的研究。电池和模块表明,膨胀力不仅影响电池的容量,而且影响模块的结构安全性。先前的研究表明,电池的膨胀力会增加容量损失,这是模块的设计。因此,电池的膨胀力会在电池组装成模块后损坏模块的其他结构组件,例如B。端板和侧板。为确保模块的结构在整个生命周期中不会因电池膨胀而失效,研究电池在模块中产生的膨胀力尤为重要。基于先前的膨胀力数据,本文使用模拟来评估模块设计的结构强度是否满足要求。主要是评估模块的端板,侧板和端板焊缝的强度是否与模块的膨胀力相对应。对S40_1P6S和S60_1P4S模块的膨胀力进行仿真,以评估由模块的膨胀引起的应力。在端板,侧板和端板的焊缝处安装模块。比较模块设计的强度失效阈值,以评估设计的强度值是否可以承受生命周期内模块中所有电池的膨胀。图5af中所示的仿真结果是模块S40_1P6S和S60_1P4S的端板,侧板和端板的焊缝应力值。同时,仿真还可以更改长度。S60_1P4S模块的端板,侧板和焊缝上的溶胀力大于S40_1P6S模块的溶胀力。端板的模拟应力值为370.84 MPa,S40_1P6S模块的端板损坏阈值仅215 MPa,不能满足S60_1P4S模块端板强度的设计要求。因此,S60_1P4S模块的端板设计的失效阈值为380 MPa。对两个模块的膨胀力的仿真分析还可以证明,如果电极与铝壳之间的间隙相同,则电池中的电极片越多,模块中的膨胀力就越大。如果使用多个电极箔,则对模块的结构强度要求较高。在设计外壳结构时,需要考虑模块的较大扩展空间。从以上分析可以看出,S40电池,S60电池,S40_1P6S模块和S60_1P4S模块的膨胀力的分析结果可以有效指导模块的设计,包括端板,侧板,焊接强度和电池组设计中的模块布置等起着重要作用。
图5.模块扩展力的仿真:(ac)S40_1P6S模块仿真,(df)S60_1P4S模块仿真。
参考文献:SwellingForcein锂离子动力电池,YongkunLi,ChuangWei,YumaoSheng,Feipengjiao,*和KaiWu *。
资料来源:新能源领袖,作者:每日