高比能软包锂离子电池负极压实及使用工况对寿命的影响

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伴随着“碳达峰”“碳中和”新概念的提出,新能源在社会变革进步过程中的作用逐步凸显。聚合物软包锂离子电池能量有优势但在循环寿命上面临挑战。本文分析了高比能软包电池循环寿命失效的影响因素,重点分析负极电极压实密度及使用工况对循环的影响,为软包锂离子电池的电极压实设计及电池合理使用提供参考。基于三种负极电极压实密度设计,通过物理表征(扫描电镜、真密度仪,剥离力测试仪)和电化学表征(电化学交流阻抗谱、充放电性能),研究不同负极压实密度的形貌结构、孔隙率、电极剥离力及吸液性的差异。试验表明随着负极压实密度增大,电极颗粒间隙变小,电极剥离力略有变小。当负极压实密度由1.6 g/cm~3增至1.7 g/cm~3,负极孔隙率减少3.19%,电解液润湿性下降15.29%,由此导致残液量和残液量系数下降。三组电池在常温1500次循环后出现差异,45℃高温循环在300次~500次间出现明显差异,高压实密度组的容量衰减与内阻增长更快,厚度膨胀率更大。由此得出电极的压实密度越高,电池容量越高,厚度越小,能量密度越高,但是电极储液性下降,导致残液量降低,循环衰减更快。通过物理表征(振实密度分析仪、激光粒度分析仪、扫描电镜),研究负极石墨粉末在0 t/cm~2,2 t/cm~2及8 t/cm~2三种压力下的粒径分布,得出Dv(50)略有变小,对比无压力状态,施加压力后,脱落的小颗粒附着的现象变得更显著,当压力达到8 t/cm~2时,颗粒表面有压裂现象。基于电池使用环境及工况条件的差异,通过性能表征(电化学交流阻抗谱、充放电性能),研究了使用温度、机械外力施加和不同SOC(荷电状态)区间三种使用工况对循环寿命的影响。在环境温度的影响试验中,电池在常高温条件下,高温循环容量衰减和内阻增加速率更快,厚度膨胀率更高。不同温度下的机械外力施加作用试验中,初始力0.021 MPa组循环容量保持率和内阻增长变化率均表现最优,适度的机械压力施加有利于改善电极界面,能够确保畅通的离子和电子电导,有助于改善软包电池相对贫液的电解液环境,避免无外力施加作用中出现的容量断崖式衰减问题,能延长一倍左右的常温循环寿命。在不同DOD(放电深度)循环测试中,处于25℃温度50%DOD状态,循环900次恢复容量保持率为99.5%,同比100%DOD提升5.4%。采用不完全充放电循环制式,恢复容量保持率得到较大提升,电池放电深度与循环寿命负相关。
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